轻型反坦克导弹复合制导模式设计与仿真分析

杨 芳

（西安航空学院，西安 710077）

0 引言

轻型反坦克导弹是各国陆军争相研制和装备的新一代武器，它能够大大提高士兵在反坦克作战和城市作战任务背景下的作战能力。制导控制系统在轻型反坦克导弹武器系统中具有极其重要的作用，只有制导控制系统具有很高的制导精度，才能有效打击以坦克、装甲车等为主的点目标，因此，制导控制系统的制导精度是武器系统战术技术要求中的重要指标。惯性中制导结合红外末制导，在射程较远时对目标探测与识别具有较大的优势。惯性制导结构简单，作用距离远，不易受干扰，但随时间的增加累计误差也随之加大。红外末制导具有对目标的探测识别能力，抗干扰能力强，制导精度高的优点，但作用距离有限，容易受到雾天环境或障碍物遮挡等影响。制导系统采用捷联惯性中制导和红外图像末制导的组合制导方案，可有效地克服各自的不足，大幅度提高制导精度和可靠性。采用捷联惯性中制导不但可以大大降低对末寻的系统技术要求，还可以增加红外末寻的系统探测距离以外的最大射程。

本文根据某轻型反坦克导弹的总体要求，建立了捷联惯性中制导和红外成像末制导复合制导方式。在导弹飞行转入末制导段之前，利用制导控制方程、虚拟比例导引方程将导弹控制到预定位置，再通过惯性制导与红外制导的交班方程，保证红外导引头可靠锁定并截获目标。该复合制导方式可以提高导弹的作用距离和在复杂战场环境下的适应能力。

1 捷联惯性中制导和红外成像末制导的总体设计

在满足末制导系统技术要求的前提下，为了尽可能地增加导弹的飞行距离，采用中段惯性制导与末段主动制导相结合的复合制导体制。由于中制导一般不以脱靶量作为性能指标，而只需把导弹导引到保证末制导可靠截获的一定区域内，因而不需要精确的位置终点。

图1 制导系统结构图

1.1 惯性中制导

中制导的惯性制导系统主要由惯性元件（陀螺、加速度计及其相关电路）、弹上计算机和控制指令算法组成。惯性元件固联在导弹上，由它们直接测量出导弹的加速度和旋转角速度。由陀螺仪输出的导弹角速度，在弹上计算机中通过建立的姿态矩阵，提取导弹的姿态和航向角信息，并用姿态矩阵对加速度计的输出信息进行坐标转换，从弹体坐标系变换到导航坐标系（地理坐标系），然后进行导航计算获得在导航坐标系下的速度和距离偏差，再用弹上计算机实时变换成操纵导弹的舵控制信号，使其按预定的方向飞行，直至导弹进入末制导阶段。

建立导弹飞行过程中质心运动与绕心运动的方程如下：

1.2 虚拟比例导引

中制导结束后，弹上计算机提供一个转换指令进入末制导段，这时主要由导引头自动寻的。末制导与中制导的不同之处在于制导所需的信息来源不同：末制导主要靠弹上导引头测得制导所需的目标位置、速度、加速度、视线角和视线转率等信息；而中制导所需的信息要依靠弹上惯性元件测得导弹位置、速度、加速度等信息，与预装订的目标点位置进行计算，求出弹目之间的视线角和视线转率等。另外，在末制导过程中，若导引头丢失目标或未能截获目标时，则根据装订的目标距离信息进行虚拟比例导引，亦能对目标造成一定的毁伤效果。

虚拟比例导引方法设计如下页图2 所示。

根据比例导引方法，由图2 关系可得到弹目之间的视线角为：

图2 导弹与目标三维交战几何

通过上式变换得到视线转率的计算表达式为：

其中，

1.3 复合制导交班

在复合制导系统中，中制导段和末制导段的两种制导系统采用了不同的制导律。当制导过程确定从中制导向末制导转换时，中制导弹道与末制导弹道之间将会出现偏差。为了使导弹飞行过程中在交班点具有较好的衔接，就需要将导弹的速度倾角控制在期望值，以减小交班误差的存在。参照图2，其控制方法如下：

通过以下方程组即弹目之间视线转率和末端落角约束之间的关系，即可实现不同落点角度对目标的攻击。

2 仿真验证

结合某轻型反坦克导弹总体参数，根据惯性中制导与控制系统模型，编写了制导控制系统仿真程序，对纯惯性制导，惯性中制导+红外末制导，障碍物遮挡3 种形式进行了半实物仿真试验。仿真试验系统主要由三轴转台、五轴转台、仿真计算机、弹载计算机、惯性测量单元（IMU）、红外导引头、红外目标模拟器、仿真电缆、数据记录仪，以及飞控软件、仿真软件和数据记录软件等组成，如图3 所示。

图3 仿真试验系统组成

2.1 试验1：纯惯性制导

采用纯惯性制导进行半实物仿真试验，可以模拟导弹全程未进入红外末制导的过程。在目标静止情况下，对不同射程的惯性制导弹道进行了仿真，仿真结果如下页图4～图5 所示。

2.2 试验2：惯性中制导+红外末制导

采用惯性中制导+红外末制导复合制导方式进行半实物仿真试验，可以模拟导弹由惯性中制导进入红外末制导的过程。在目标静止情况下，对不同射程的复合制导弹道进行了仿真，仿真结果如图6～图7 和表2 所示。

图4 射程与高度关系曲线1

图5 俯仰姿态角与时间关系曲线1

表1 惯性制导状态不同射程弹道数据表

2.3 试验3：障碍物遮挡试验

当红外导引头信号受到干扰或者超出视线无法锁定目标时，可以利用惯性制导进行制导控制，待红外导引头再次捕获目标后重新转为红外末制导控制。以3 000 m 射程为例，分别进行了多次对目标的遮挡试验（遮挡时刻分别为5 s、10 s、15 s、20 s，遮挡持续时间为100 ms），仿真结果如表3 所示。

图6 射程与高度关系曲线2

图7 俯仰姿态角与时间关系曲线2

表2 复合制导状态不同射程弹道数据表

表3 复合制导状态遮挡试验弹道数据表

从表1 仿真数据可以看出，采用纯惯性制导方法，可以利用虚拟比例导引算法将导弹导引至目标较近位置，但落点精度较差，且随射程的增加，精度也逐渐降低。

从表2 仿真数据可以看出，利用复合制导的方式大大提升了制导精度，并且随射程的增加，其制导精度也没有削弱。

从表3 仿真数据可以看出，利用惯性中制导+红外末制导复合制导的方式可以有效解决目标短暂丢失的问题。当目标丢失后，惯性制导继续解算，并给出导引头目标指向，当导引头重新捕获目标后，再对惯性制导误差进行校正，这样不但提高了轻型反坦克导弹的生存能力，也大大提升了制导精度。

3 结论

合理的制导方案是提升导弹命中精度的最有效手段之一。本文根据某轻型反坦克导弹的总体指标要求，研究了捷联惯性中制导和红外成像末制导组合的复合制导方式。在导弹飞行转入比例导引段之前，利用惯性制导将导弹控制到预定位置，通过惯性制导与红外制导的交班，以保证红外导引头顺利可靠地截获目标。在末制导过程中，若导引头丢失目标或未能截获目标时，则根据装订的目标距离信息进行虚拟比例导引，同时给出导引头目标指向，有助导引头重新捕获目标。该方法不但提高了导弹的作用距离，提升了制导精度，同时也使得轻型反坦克导弹在复杂战场环境下的生存能力大大增强，为以后多用途轻型反坦克导弹技术的发展奠定良好的应用基础。