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通信工程硕士

相控阵雷达导引头末制导技术研究【硕士论文】

时间:2013-1-12 20:13:55  作者:60论文网  来源:www.60lw.com  查看:88  评论:0
相控阵雷达导引头末制导技术研究
目 录
摘要 ................................................................................................................. i
ABSTRACT .........................................................................................................ii
第一章 绪论...................................................................................................... 1
1.1 研究背景和意义............................................................................................. 1
1.2 国内外研究现状及关键技术介绍................................................................. 2
1.2.1 相控阵雷达导引头研发现状................................................................ 2
1.2.2 相控阵雷达导引头及寻的末制导应用关键技术................................ 4
1.2.3 适用于相控阵雷达导引头的导引律.................................................... 8
1.3 本文研究思路及内容安排........................................................................... 10
1.3.1 本文的研究思路.................................................................................. 10
1.3.2 本文的内容安排.................................................................................. 11
第二章 导弹制导回路建模与仿真.................................................................... 12
2.1 坐标系统....................................................................................................... 12
2.1.1 基准坐标系统...................................................................................... 12
2.1.2 基本坐标转换矩阵.............................................................................. 13
2.1.3 坐标系之间的转换.............................................................................. 13
2.2 导弹作为受控自由刚体运动的数学模型................................................... 16
2.2.1 作用力.................................................................................................. 16
2.2.2 作用力矩.............................................................................................. 17
2.2.3 导弹运动方程组.................................................................................. 18
2.3 制导控制系统建模....................................................................................... 21
2.3.1 导弹的过载.......................................................................................... 21
2.3.2 基于瞬时平衡求解的自动驾驶仪...................................................... 23
2.3.3 三维比例导引规律.............................................................................. 25
2.3.4 弹目视线角关系.................................................................................. 26
2.4 目标机动模型............................................................................................... 26
2.5 仿真分析....................................................................................................... 28
2.4 本章总结....................................................................................................... 30
第三章 导引头及惯导系统建模及分析 ............................................................ 32
3.1 相控阵雷达导引头模型............................................................................... 32
3.1.1 导引头测量量计算.............................................................................. 32
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3.1.2 导引头测量噪声模型.......................................................................... 33
3.2 惯导系统模型............................................................................................... 36
3.2.1 捷联姿态计算...................................................................................... 36
3.2.2 惯导系统输出误差模型...................................................................... 39
3.3 误差影响分析............................................................................................... 43
3.3.1 测量误差对惯性视线角重构的影响.................................................. 43
3.3.2 制导信息误差对制导指令的影响...................................................... 50
3.4 仿真结果....................................................................................................... 53
3.5 本章总结....................................................................................................... 55
第四章 基于稳定坐标系的惯性视线重构方法.................................................. 56
4.1 导引头跟踪回路分析................................................................................... 56
4.2 目标与导弹运动先验模型........................................................................... 59
4.2.1 机动目标的运动模型.......................................................................... 59
4.2.2 机动目标模型离散化.......................................................................... 61
4.2.3 导弹运动模型...................................................................................... 64
4.3 相对状态滤波器设计................................................................................... 65
4.3.1 滤波状态方程...................................................................................... 65
4.3.2 滤波测量方程...................................................................................... 67
4.3.3 测量噪声标定...................................................................................... 67
4.3.4 Unscented Kalman 滤波器.................................................................... 68
4.4 仿真分析....................................................................................................... 71
4.4.1 仿真场景一.......................................................................................... 71
4.4.2 仿真场景二.......................................................................................... 75
4.5 本章总结....................................................................................................... 78
第五章 基于球坐标系的惯性视线重构方法 ..................................................... 79
5.1 相对运动状态方程的建立........................................................................... 79
5.1.1 球坐标系下的视线运动状态方程...................................................... 79
5.1.2 修正球坐标系下的视线运动状态方程.............................................. 81
5.1.3 三通道独立的状态方程...................................................................... 81
5.2 三通道卡尔曼滤波器设计........................................................................... 82
5.2.1 离散化状态方程.................................................................................. 82
5.2.2 测量方程.............................................................................................. 84
5.2.3 滤波算法.............................................................................................. 85
5.3 仿真分析....................................................................................................... 87
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5.4 本章总结....................................................................................................... 91
结 束 语 ....................................................................................................... 92
致 谢 .............................................................................................................. 94
参考文献........................................................................................................... 95
作者在学习期间取得的学术成果 ..................................................................... 1001.1 研究背景和意义
导引头系统是空空导弹系统的核心分系统,其成本通常占全导弹成本的
70%-90%。根据所探测的目标辐射信号源的不同,分为红外导引头和雷达导引头
两类。近距格斗空空导弹通常采用红外导引头,中远程拦截空空导弹多数采用主
动或被动雷达导引头[1-3] 。
在近年来的多次局部战争中,中距空空导弹击落飞机数目已超过近距格斗导
弹,反映出现代空战的发展趋势——超视距空战将成为未来空中作战的主要样式
[4] ,这一趋势促进了雷达导引头的研发。进入21 世纪以来,随着战斗机性能不断
提高,空战环境日趋复杂激烈,不仅要求空空导弹需要具备高速高加速,大机动,
多目标攻击等能力,还要求能保证较高的制导精度。但是,传统雷达导引头采用
伺服跟踪系统的天线扫描方式,存在视角范围小,反应速度慢,不能完成多目标
跟踪和体积较大等缺点,已不能满足日益提高的技战术需求。
采用红外导引头的导弹 aim-9 采用雷达导引头的导弹aim-12 机载相控阵雷达
图 1.1 空空导弹与雷达导引头
对于雷达导引头而言,不仅需要天线能够拥有足够的增益和带宽,而且需要
其主波束能够根据导弹飞行状态进行调整。鉴于导弹载荷能力有限,高度集成的
相控阵天线阵列成为提高导引头能力的有效方案。相控阵雷达导引头是相控阵技
术在导弹导引头上的应用。与传统带机械伺服机构的雷达导引头相比,相控阵雷
达使用电子扫描代替机械扫描,使雷达波束具有捷变能力(即波束指向的快速变
化能力和波束形状的快速变化能力),且一个雷达面可形成多个波束。这些特点
使相控阵雷达具备了多目标跟踪搜索、波速扫描灵活、抗干扰性能好、系统反应
时间短、能量效率高等优点[5] 。
将相控阵雷达作为导弹末制导雷达,从功能上,可以扩展导引头的信息获取
量,提升导弹的攻击能力和攻击精度,提高导引头的使用效率,增强对抗目标实
施干扰的能力。若在相控阵阵列设计中采用共形面技术,不仅可以使电扫描角扩
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大到 240°的范围,还为多模导引头的设计提供了便利。鉴于上述优点,随着相控
阵雷达向着多功能、高可靠、低成本和小型化的方向发展,相控阵雷达导引头替
代传统雷达导引头已成为发展趋势[6] 。
但是,由于相控阵雷达导引头在扫描跟踪体制和安装方式上与传统雷达导引
头相比存在巨大差异,给导弹制导带来许多理论和工程问题:首先,相控阵雷达
导引头天线与弹体固联,采用电扫描方式代替传统伺服机构扫描,探测跟踪目标
后给出相对弹体系的视线角信息,不能直接得到比例导引规律所需要的相对惯性
系的视线角速率信息,需要设计惯性视线角速率提取方案;其次,导弹飞行时,
俯仰、翻滚、偏航姿态快速变化,给导引头对目标的截获与跟踪造成严重影响,
需要研究导引头捷联去耦问题;最后,惯性视线角速率提取精度以及最终的制导
精度受弹体弹性振动和导引头测量噪声的影响,需要全面评估视线角提取方案中
各种源信息噪声对提取信息的影响。
本文将研究弹载相控阵雷达视线角速率重构,姿态运动去耦,制导信息重构
精度分析等问题,密切跟踪相控阵雷达寻的制导领域发展前沿,紧密联系空空导
弹动力学特征和制导控制方法开展建模仿真分析。因此,本文是对弹载相控阵雷
达应用问题的有益探索。通过本文的研究,可以为我军利用相控阵技术提高下一
代空空导弹制导精度提供一定的参考和借鉴意义。
1.2 国内外研究现状及关键技术介绍
相控阵雷达导引头是一种极其先进且复杂的目标敏感器。作为导引头发展的
最新成果,它改变了传统机械扫描雷达导引头在波束形状、波束驻留时间、扫描
方式、发射功率和数据率方面固态的限制,具有波束指向灵活,空间功率分配可
控及时间资源可分配的特点,因而扩展了雷达导引头的信息获取量,提升了导引
头的攻击能力和攻击精度,提高导引头的使用效率[6] 。由于相控阵雷达导引头的
这些特点,备受各国导引头研究机构的青睐。但要把相控阵技术成功应用到导弹
中,还需解决不少的技术难题。
1.2.1 相控阵雷达导引头研发现状
1.2.1.1 相控阵雷达导引头在国外的应用现状
美、俄两国在相控阵雷达研制方面一直处于领先地位。美国国防报告提出了
“先进雷达概念(advanced radar concept)”的思想,将当前已经成熟的单片微波集
成电路技术(MMIC)应用于雷达收发组件(T/R)模块,实际上就是在制作相控
阵雷达天线时将单片微波集成技术和微电子机械系统(MEMS)技术结合,实现天线
的电扫描,生产出的厘米波和毫米波的雷达导引头,成功克服了传统导引头天线
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对空间的严格要求。
美国在 20 世纪80 年代实施LEAP 计划时,配套研制了平面相控阵雷达导引
头。该导引头工作于W 波段(94 GHz),天线口径127 mm,包含有368 个积木块,
每个积木块由6 个收发模块组成,整个平面共有2208 个阵元,发射机有4 个圆盘
状固态发射模块,每个圆盘模块产生7.8 W 功率,总功率去除损耗后为25 W。采
用了多模块封装和高密度连接(HDI)技术,使得导引头的结构紧凑[7] 。
美国空军在 90 年代实施DRM(双射程导弹)计划时,配套研制了共形天线
阵列导引头(CAS)。其特点是天线与弹体共形,并对外宣称能低成本地实现波束控
制,波束指向可覆盖到140°的范围。雷达作用距离在初期指标中定为25 km,远
期指标为60 km。同时还进行了在反辐射导弹(HARM)和先进反辐射导弹(AARGM)
上应用共形天线的研究工作。美国的先进反辐射导弹,其双模导引头由一个数字
式宽带被动射频接收机,围绕导弹头部安装的共形阵列天线以及毫米波末段主动
雷达导引头共同组成[6] 。
俄罗斯阿尔泰设计局研制了一种导弹制导用模块式相控阵天线,此前该设计
局已成功研制出毫米波、厘米波和十米波的相控阵天线。这三种公开展示的天线
均为圆形,天线直径约11 个波长。半功率点的波束宽度为5.8 度(毫米波设计时为
5.3 度),天线增益为26dB,带宽约8%,最大旁瓣电平为17.6dB。其中,厘米波、
十米波天线的扫描扇区为±53 度,毫米波的扫描扇区为±45 度。这三种天线均包
含有192 个移相器,每个移相器都封装在非等距阵列中。毫米波和厘米波天线采
用的是铁氧体移相器,十米波天线采用的是半导体移相器。并配置有控制装置,
可以构成一个独立单元或作为多个大型天线中的一部分,能有效对抗有源电子干
扰[77] 。
研制小型化的相控阵雷达也是各国研究机构关注的领域,日本的三菱电器公
司研制有星载的小型化相控阵天线,具备多波束能力。美国的COMSAT 实验室也
开发了Ka 波段和C 波段的小型化多波束相控阵天线。值得注意的是,美国生产的
阿布拉姆斯3C 导弹的寻的器,使用的就是一种超小型的相控阵雷达导引头[77]。
除美、俄外,欧盟国家在这方面的研究也取得了许多重要成果。德国EADS
公司正在研发Ka 波段的相控阵雷达。该相控阵雷达与红外探测器组成一个复合导
引头,因此在研制中特别注重相控阵天线的结构的紧凑性。同时该相控阵雷达导
引头需要具备多目标跟踪功能,并增强抗目标实施自卫干扰的能力。该导引头由
700 个小型的收发机组成,安装在导弹肩部[77]。
英国的奎奈蒂克公司已对其研制的相控阵雷达导引头进行了成功的“闭环”
试验,这可能是该类试验的首次成功,这次试验的成功,证明在地空导弹和空空
导弹上应用相控阵雷达作为目标敏感器是可行的,极大的降低了新型导弹的研制
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风险。相控阵雷达天线采用电子扫描,天线与导弹弹体捷联,它的射频能量由电
子装置控制。奎奈蒂克公司的验证表明:射频相控阵传感器可以实现导弹制导的
基本功能,通过进一步的发展,一定能够实现制导所需的全部功能,并显著提高
对抗未来电子干扰的能力[77]。

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