捷联激光制导的视线信号提取方法

崔俊根，陈东生，王怀野，张格森，，邱海韬

（1．北京航天微系统研究所，北京100094；2．航天长征国际贸易有限公司，北京100070）

捷联激光制导的视线信号提取方法

崔俊根1，陈东生1，王怀野1，张格森1，2，邱海韬2

（1．北京航天微系统研究所，北京100094；2．航天长征国际贸易有限公司，北京100070）

提出了一种弹目视线角信号的提取方法，该方法采用UKF解耦，针对捷联激光制导炸弹需要攻击移动目标却不能测量弹目相对距离和速度的情况，建立了弹目相对运动模型，解耦过程不需要相对距离信息，能够更方便地应用于工程实践。经仿真验证，此方法可以较好地估计出弹目视线角以及角速率信息，能够满足捷联激光制导炸弹工程应用的需要。

捷联导引头；解耦；角速率估计；UKF滤波器

0 引言

捷联导引头直接与弹体固联，省去了传统导引头的伺服机构，具有结构简单、成本低廉的优点，正逐步应用于低成本制导弹药中。由于导引头输出角度耦合了弹体姿态运动信息，无法直接输出弹目视线角速率，需要利用导航信息进行信号解耦得到视线信号，信号解耦的好坏直接影响武器的精度，有效的解耦方法是捷联导引头应用的关键技术，是目前国内外捷联制导研究的热点问题之一。

目前，国内已经提出了几种视线角信号的解耦方案，如文献［1］介绍了坐标变换解耦方法，直接利用导引头测量的角信号通过坐标转换矩阵计算出所需要的视线角信号，这种方法优点是解耦方法简单、编程方便、易于工程上直接使用，但是会将噪声和误差直接传递到制导系统中，降低制导精度；文献［5］采用粒子滤波的方法进行解耦，但是粒子滤波算法计算量大，对制导炸弹弹载计算机性能要求很高；文献［2］、文献［12］、文献［16］均介绍了采用UKF方法对捷联光学图像导引头角速率信号进行提取，文献［16］将弹目视线角及其角速率作为状态量，利用弹目相对运动模型建立状态方程，通过观测导引头输出高低角和方位角可以很好地估计弹目视线角速率，但是制导炸弹在攻击移动目标时无法得到弹目相对距离以及相对速度信息，此方法在制导炸弹的应用中较难实现；文献［2］、文献［12］分别提出了采用UKF及其改进形式估计弹目视线角速率的方法，其方法是利用导引头输出的角度和角速率以及弹体姿态运动信息重构弹目视线角速率，但是激光导引头无法提供弹体系下视线角速率信号，而通过滤波和微分的方式求解角速率又会带来较大延时，影响制导炸弹性能，因此在工程应用中难度较大。

本文从实际工程应用的角度出发，针对已有的方法和应用中遇到的问题，利用捷联激光导引头和惯导系统所提供的角度和速度信息，给出了一种基于UKF的弹目视线信息的提取方法。该方法在分析弹目相对运动的角度关系的基础上增加相对距离的方程，并利用弹体速度作为观测量，不需要弹目相对位置信息即可获得弹目视线信号，更方便应用于捷联激光制导炸弹的工程实践。通过仿真验证此种方法的可行性，为实际工程应用提供一定的依据。

1 捷联激光制导流程及导引头介绍

捷联激光制导炸弹制导流程如图1所示。制导系统所需要的制导信息为地理系下的弹目视线角信号qλ、qγ。由于捷联导引头直接与弹体固连，若不考虑安装误差，其输出信号仅为目标光斑在弹体系下的高低角与方位角，因此导引头观测角qα、qβ是视线角qλ、qγ在弹体系下的信号。在导引头观测信号中除了有弹目视线信息外还耦合了弹体姿态角信息。因此需要将导引头输出信号通过解耦模块提取出弹目视线角信息作为制导信号输入制导系统，得到指令过载并转换到弹体系下，通过姿态控制系统控制舵机产生相应的实际过载，从而保证制导炸弹精确稳定命中目标。

图1　捷联激光制导炸弹制导流程图Fig.1 The flow⁃process diagram of guidance for strapdown laser guided bomb

由图1所示制导流程可以看出，制导炸弹除了导引头外没有获得目标信息的其他途径，捷联激光导引头作为寻的器为制导炸弹提供目标信息，解耦模块从导引头输出信号中提取制导信息，而制导信号的准确性是激光制导炸弹能否精确命中目标的关键所在。因此，如何从导引头中准确地提取弹目视线信号是捷联激光制导炸弹设计研发的首要解决问题。

图2　激光导引头原理图Fig.2 The measurement principle of the laser seeker

由于激光的单色性和方向性好、束散角小、能量集中、具有很高的跟踪精度和空间分辨率，激光导引头被广泛应用于制导弹药中。激光导引头一般由光学系统、光电探测器及前放、信息处理模块等部分组成。光学系统采集激光信号，探测器一般为四象限探测器，导引头将探测器获得的目标回波信号进行脉冲展宽、峰值保持等处理，输入和差比幅电路进行目标位置解算，设A、B、C、D四象限所收到的电压信号分别为UA、UB、UC、UD，则目标位置的解算原理如图2所示。利用已经得到目标在导引头视场中的坐标信号，通过进一步的运算处理，可以求出目标在导引头视场中的高低角和方位角。

由导引头工作原理可以看出，作为半主动式寻的器，捷联激光导引头输出信息仅为目标的角度信息；与光学图像导引头不同，捷联激光导引头无法通过图像处理的方式得到角速率信息；与主动式导引头如雷达导引头相比，捷联激光导引头无法探测目标的位置信息，不能输出弹目相对距离信号。由此可知，激光导引头输出信息较为局限，很难从其输出中得到除方位角以外的其他有用信息。

由于捷联激光导引头的瞬时视场较大则带来了较大的噪声。以某型号捷联激光导引头为例，导引头视场角为6°，其噪声均方差约为0．3°，噪声最大值达到了0．5°。根据文献［9］所述，采用坐标转换解耦时，导引头噪声会在制导系统中传递而无法消除，因此会影响制导炸弹的性能。滤波网络可以很好地滤除导引头噪声，但是会产生延时：若在导引头输出信号时进行滤波，滤波器延时会影响信号解耦的准确性，产生隔离度，影响制导炸弹的稳定；若对解耦后的弹目视线角进行滤波，则会带来制导信号的延时，直接影响制导系统和姿态控制系统的设计和稳定性能。

因此，本文采用UKF滤波器对弹目视线信号进行提取，在导引头观测信号的基础上增加导航系统所提供的制导炸弹速度为观测量，从而直接估计出弹目视线角及其角速率信号，并进行弹道仿真，以验证此方法的可行性。

2 UKF解耦模型的建立

2.1 坐标系及其转换

为了描述从导引头输出的体视线角和角速率陀螺测到的姿态角到惯性系下弹目视线角的映射，定义解耦所需要的坐标系如下：

1）地理坐标系（O XgYgZg），O点选在发射点的地面上，O Xg沿当地水平面指东，O Yg沿铅垂线向上，O Zg垂直于O ZgZg面并且与O Xg、O Yg按照右手定则确定；

2）弹体坐标系（O XbYbZb），O点位于炸弹的质心上，O Xb与弹体纵轴重合，O Yb在弹体纵向平面内，垂直于O Xb轴，向上为正，O Zb按照右手定则确定；

3）视线坐标系（O XsYsZs），O取在炸弹质心，O Xs轴沿视线方向，指向目标为正，O Ys在包含O Xs轴的铅垂面内，与O Xs轴垂直，向上为正，O Zs按照右手定则确定；

4）体视线坐标系（O XlYlZl），O点取在炸弹质心，O Xl轴沿视线方向，指向目标为正，O Yl轴在弹体纵向对称面内并垂直于O Xl轴，向上为正，O Zl轴按照右手定则确定。

通过上述坐标系之间的欧拉角可以确定坐标系之间的相互转换矩阵分别为：

2.2 UKF状态方程及观测方程的建立

目标在视线系和体视线系中的坐标Xs和Xl均为［r 0 0］T，则目标在弹体系和地理系中的坐标Xb和Xe分别为［1］：

将Xs=Xl=［r 0 0］T代入式（1），则可以解出体视线高低角qα和方位角qβ与弹目视线角qγ、qλ，转换关系如式（2）所示：

其中，Rij为中第i行第j列元素。

地理系首先绕OYg转动qγ角度，再绕OZs转动qλ角度，则可转换为视线坐标系，其转换矩阵为转动角速率为：

因为目标在视线系下的向量为Xs=r 0 0[]T，对向量Xs求二次绝对倒数，可以求得地理系下弹目相对运动方程为［17］：

根据式（4）所述弹目运动方程，设置UKF滤波器的状态方程如式（7）所示，由于目标机动情况未知，所以将目标加速度项设为噪声项Vk。

弹目相对运动速度如式（8）所示。其中，VM为目标移动速度，VT为弹体移动速度。由于制导炸弹攻击的目标机动能力不高、运动速度较低，而制导炸弹速度较大，因此可以将VT等效为一个噪声，从而将弹目相对运动速度作为观测量输入UKF滤波器中，以便于准确估计出弹目相对距离信息。

令观测量Z为UKF滤波器观测信号，其输入量为导引头信息以及弹目相对运动信息，即根据式（2）和式（8），可得观测方程如式（9）所示。其中，w1、w2为导引头噪声，w3为目标运动速度，也设为观测噪声。

利用上述状态方程和观测方程代入UKF算法进行滤波，可以在弹道仿真中较好地估计出弹目视线角以及角速率，并作为制导信号直接应用于比例导引等制导律中。

3 仿真结果

采用2．2节所示状态方程和观测方程、利用图1所示制导流程，将UKF滤波器作为解耦模块用于弹道仿真，并与理想值进行对比，从而验证此方法的可行性并计算其估计精度，为捷联激光制导炸弹采用UKF算法解耦的实际工程应用提供一定依据。

3.1 仿真参数设置

为验证基于UKF的弹目视线角信息估计算法的可行性，利用图1所示流程进行弹道仿真，并将解耦结果与理想值进行对比。仿真初始参数设置如下：

1）初始弹体高度6000m，弹目相对距离25000m；

3）目标运动速度为10m／s，运动方向为北向；

4）导引头噪声为满足正态分布的随机噪声，其标准差为0．009rad；

5）假定高空风速为0，制导炸弹飞行过程中无切变风。

以上述初始条件进行仿真，利用UKF滤波器进行弹目视线角以及角速率的解耦解算，从而验证此方法在制导炸弹飞行过程中的可行性。

3.2 仿真结果

利用图1所示仿真流程以及3．1节所示初始条件进行仿真，仿真结果如图3～图7所示。图3、图4为理想视线角和采用UKF解耦的弹目视线角信息，图5为采用UKF估计的弹目视线角速率信息，图6、图7为估计误差。可以看出UKF算法提取高低角误差的绝对值的均值约为0．002rad，方位角的误差约为0．002rad，高低角速率误差约为0．008rad／s，方位角误差约为0．006rad／s。

图3　高低角估计曲线Fig.3 The altitude angle estimation

图4　方位角估计曲线Fig.4 The azimuth angle estimation

图5　角速率估计曲线Fig.5 The estimation of the angular rate

图6　角度值估计误差曲线Fig.6 The estimation error curve of the angle

图7　角速率估计误差曲线Fig.7 The estimation error curve of the angular rate

从上面的仿真结果可以看出，采用此种方法对弹目视线角以及角速率信息进行估计可以抑制大部分噪声，估计精度较高，捷联激光制导炸弹可以直接利用UKF滤波器估计的信息进行制导；由于本型号制导炸弹攻击距离远、弹目视线角变化较为平滑，因此弹目视线角速率的值在0附近，但是仍有较小的值存在，而角速率估计误差均值为0证明此方法可以完成对弹目视线角速率的估计；从图6、图7中可以看出估计误差在弹道末端突然增大，这是因为在制导炸弹将要击中目标时，弹目相对距离约为0，理想弹目视线角度值的计算趋于无穷大，从而导致计算机解算结果发散，此时的数据不是真值，在应用中对制导系统没有影响。

4 结论

本文以捷联激光制导炸弹为背景，提出了一种采用UKF滤波器的弹目视线角信号的提取方法，该方法增加了弹目相对距离和相对运动速度作为状态变量，在导引头输出信号的基础上增加了制导炸弹飞行速度作为观测量，解耦过程不需要相对距离信息，能够更方便地应用于工程实践。经仿真实验证明，此方法可以估计出弹目视线角信息和角速率信息，并抑制大部分导引头噪声，估计精度较高，能够更方便地应用于实践，为工程设计提供了一定依据。

［1］孙婷婷，储海荣，贾宏光，等．捷联式光学导引头视线角速率解耦与估计［J］．红外与激光工程，2014，43（5）：1587⁃1593．SUN Ting⁃ting，CHU Hai⁃rong，JIA Hong⁃guang，et al．Line⁃of⁃sight angular rate decoupling and estimation of strapdown optical seeker［J］．Infrared and Laser Engineer⁃ing，2014，43（5）：1587⁃1593．

［2］薛舜，周军，葛致磊．捷联导引头目标视线角速率重构方法研究［J］．计算机仿真，2009，26（3）：82⁃86．XUE Shun，ZHOU Jun，GE Zhi⁃lei．Line⁃of⁃sight angle rate reconstruction for strapdown seeker［J］．Computer Simulation，2009，26（3）：82⁃86．

［3］赵妍．捷联导引头解耦系统的研制［D］．哈尔滨工程大学，2007．ZHAO Yan．Development of decoupling system of strapdown seeker［D］．Harbin Engineering University，2007．

［4］宗睿，林德福，刘泰然，等．采用UKF的光学捷联导引头刻度尺误差补偿方法［J］．红外与激光工程，2014，43（11）：3577⁃3584．ZONG Rui，LIN De⁃fu，LIU Tai⁃ran，et al．Compensation method for scale error of optical strapdown seeker using UKF［J］．Infrared and Laser Engineering，2014，43（11）：3577⁃3584．

［5］李璟璟，伊国兴，张迎春．基于粒子滤波的捷联成像导引头视线角速率估计［J］．弹箭与制导学报，2009，29（2）：91⁃94．LI Jing⁃jing，YI Guo⁃xing，ZHANG Ying⁃chun．Strapdown imaging seeker LOS rate estimation based on particle filter［J］．Journal of Projectiles，Rockets，Missiles and Guid⁃ance，2009，29（2）：91⁃94．

［6］王琪，付书堂．捷联导引头去耦算法研究［J］．航空兵器，2012（6）：7⁃19．WANG Qi，FU Shu⁃tang．Decoupling algorithm on strap⁃down seeker［J］．Aero Weaponry，2012（6）：7⁃19．

［7］贾鑫，罗艳伟，罗丽．全捷联导引头解耦技术方法［J］．战术导弹技术，2013（1）：77⁃81．JIA Xin，LUO Yan⁃wei，LUO Li．Research on decoupling methods of strapdown seeker［J］．Tactical Missile Technol⁃ogy，2013（1）：77⁃81．

［8］李富贵，夏群利，祁载康，等．全捷联导引头寄生回路影响与辨识校正［J］．系统工程与电子技术，2013，35（8）：1718⁃1722．LI Fu⁃gui，XIA Qun⁃li，QI Zai⁃kang，et al．Effect of para⁃sitic loop on strapdown seeker and compensated with iden⁃tificationmethod［J］．SystemsEngineeringand Electronics，2013，35（8）：1718⁃1722．

［9］姚郁，林喆，遆晓光．捷联成像寻的器惯性视线重构精度分析［J］．红外与激光工程，2007，36（1）：1⁃4．YAO Yu，LIN Zhe，DI Xiao⁃guang．Accuracy analysis of inertial line⁃of⁃sight reconstruction with strapdown imaging homing seeker［J］．Infrared and Laser Engineering，2007，36（1）：1⁃4．

［10］李璟璟．捷联成像导引头视线角速率估计方法研究［D］．哈尔滨工业大学，2008．LI Jing⁃jing．Research of LOS rate estimation method for strapdown imaging seeker［D］．Harbin Institute of Tech⁃nology，2008．

［11］王磊，夏群利，祁载康．探测器和角速度陀螺的噪声及刻度尺误差对捷联探测器积分比例导引系统的影响研究［J］．电子学报，2006，34（9）：1653⁃1658．WANG Lei，XIA Qun⁃li，QI Zai⁃kang．Efects of detector and rate gyro noise and scale⁃factor errors on systems using strapdown detector and integral form of proportional navigation law［J］．Acta Electronica Sinica，2006，34（9）：1653⁃1658．

［12］林喆，姚郁，富小薇．捷联成像寻的器视线重构［J］．光电工程，2006，33（3）：40⁃43．LIN Zhe，YAO Yu，FU Xiao⁃wei．Line⁃of⁃sight recon⁃structionforstrapdownimagingseeker［J］．Opto⁃electronic Engineering，2006，33（3）：40⁃43．

［13］温求遒，李然，夏群利．全捷联成像导引头隔离度与寄生回路稳定性研究［J］．红外与激光工程，2014，43（1）：260⁃266．

WENQiu⁃qiu，LIRan，XIAQun⁃li．Disturbance rejection rate and parasitical loop stability for strapdown imaging seeker［J］．Infrared and Laser Engineering，2014，43（1）：260⁃266．

［14］王嘉鑫，林德福，祁载康，等．全捷联导引头隔离度对制导稳定性的影响［J］．红外与激光工程，2013，42（10）：2608⁃2613．WANG Jia⁃xin，LIN De⁃fu，QI Zai⁃kang，et al．Effect of strapdown seeker disturbance rejection rate on stability of PNG system［J］．Infrared and Laser Engineering，2013，42（10）：2608⁃2613．

［15］訚胜利，张跃，张鑫，等．相位匹配法用于提高非制冷全捷联导引头制导信息精度［J］．光学与光电技术，2013，11（1）：76⁃80．YAN Sheng⁃li，ZHANG Yue，ZHANG Xin，et al．Impro⁃ ving guidance message extraction of uncooled infrared im⁃aging seeker using phase matching method［J］．Optics＆Optoelectronic Technology，2013，11（1）：76⁃80．

［16］孙婷婷，储海荣，贾宏光，等．捷联式光学图像导引头视线角速率估计［J］．光学学报，2014（6）：163⁃169．SUN Ting⁃ting，CHU Hai⁃rong，JIA Hong⁃guang，et al．Line⁃of⁃sight angular rate estimation of strapdown optical image seeker［J］．ActaOpticaSinica，2014（6）：163⁃169．

［17］郭建国，周军．基于H∞控制的非线性末制导律设计［J］．航空学报，2009，30（12）：2423⁃2427．GUO Jian⁃guo，ZHOU Jun．Design of H∞control based nonlinear terminal guidance law［J］．Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2009，30（12）：2423⁃2427．

Line-of-sight Angular Estimation of StraPdown Laser Seeker

CUI Jun⁃gen1，CHEN Dong⁃sheng1，WANG Huai⁃ye1，ZHANG Ge⁃sen1，2，QIU Hai⁃tao2
（1．Beijing Institute of Aerospace Microsystems，Beijing 100094；2．Aerospace Long⁃march International，Beijing 100037）

Based on the angle information provided by the strapdown laser seeker and inertial navigation system，the reconstruction filter is designed，where the theory of and unscented Kalman filter（UKF）is applied to treat the nonlinearity．Compared with conventional LOS dynamic models，the relative distance between the missile and target，which is unobserv⁃able to laser seekers，together with the unknown maneuver models of the target are unnecessary．As a result，the model is convenient to use．The results of computer simulations justify the validity of the LOS reconstruction filter，which can be used to restrain noice and meet the needs of the project．

strapdown seeker；decoupling；angular rate estimation；unscented Kalman filter（UKF）

T765．3

A

1674⁃5558（2016）03⁃01241

10．3969／j．issn．1674⁃5558．2016．06．013

2016⁃02⁃03

崔俊根，男，硕士，研究方向为导航、制导与控制。