信息与控制
Information and Control
1999年　第28卷　第5期　Vol.28　No.5　1999



空空导弹攻击模态下的综合火力/飞行
控制系统设计与仿真

孙军纪 敬忠良 徐 毅 金德琨

　　摘　要： 本文研究空-空导弹攻击模态下的综合火力/飞行控制系统的设计与仿真问题．文中 给出了系统的数学模型和仿真方法．仿真结果表明，整个系统工作性能良好，瞄准误差能很 快消除，可以实现导弹攻击的自动化．整个系统的设计为综合火力/飞行系统的研究提供了方法和途径． 
　　关键词：飞行控制，火力控制，空-空导弹
　　中图分类号：TP13　　　　　　文献标识码：B

THE DESIGN AND SIMULATION OF AN INTEGRATED FIRE/FLIGHT
CONTROL SYSTEM IN THE AIR-TO-AIR MISSILE ATTACK
SUN Jun-ji JING Zhong-liang XU Yi JIN De-kun
(Department of Automatic Control，Northwestern Polytechnical Univ ersity，Xi’an 710072)
Abstract　 The design and simulation of an integrated fire/flight control (IFFC) system in the air-to-air missile attack is studied in this paper. The mathematic model o f the system and computer simulation are given. The simulation results show that the system has a good attack performance, the aim error can be removed quickly, and the automation of missile attack is fessible in the IFFC system. The design of whole system here provides a methodology for the study of IFFC system. 
Key words　fire control, flight control, air-to-air missile

1　引言
　　航空火力控制系统已经历了分散火力控制系统、平显火力控制系统、综合火力控制系统三代 的发展，正向着适应第四代作战飞机的综合控制与人工智能方向发展．应综合性功能控制的要求，提出了综合火力/飞行控制系统（Integrated Fire and Flight Control）的概念，通过“火飞”耦合器把火力控制系统与飞行控制系统结合在一起，综合成为一个自动化 的武器投射系统．空-空导弹作为一种先进的武器设备，已成为国防现代化的重要标志之一 ．雷达半主动制导以及红外制导拦射导弹的使用为改善战斗机性能开辟了广阔前景．特别是 导弹直线拦射已成为火力控制系统设计的技术关键，将拦射火控引入综合火/飞系统，实现 导弹攻击自动化的工作具有重要意义．
2　系统结构
　　综合火力/飞行控制（IFFC）系统的结构框图如图1所示．传感器/跟踪器提供目标相对 载机的距离、距离变化率、目标方位角、俯仰角和目标视线角速率（包括跟踪误差），飞机 传感器提供载机的姿态角、飞机角速率、空速、仰角、侧滑角等．这些目标信息和载机数据 一起送给目标状态估值器（TSE）、TSE产生经过滤波的目标距离、距离变化率、目标方 位角、俯仰角及视线角速率，同时估计出目标的加速度．火控计算机根据这些目标和载机信 息求出火控解．火控解算的结果，一方面送往平视显示器（HUD），同时将瞄准误差馈 入火/飞耦合器．火/飞耦合器计算出飞行控制系统的操纵指令并送给飞控系统操纵飞机机动 ，消除瞄准误差．

图1　综合火力/飞行控制系统的结构框图
　　图中的超控耦合器是驾驶员操纵指令和火/飞耦合器操纵指令的耦合单元，它可以使系统可靠地工作在自动、手动和半自动三种工作状态，并保证模态之间转换平滑．火飞系统的核心是火/飞耦合器，耦合器是一个数字计算机，通过求火力控制问题的瞄准误差，把火控 系统和飞行控制系统有机联系起来，并完成外回路控制规律和内回路动态干扰补偿等任务．
3　数学模型
3.1 目标航迹处理
　　综合火力/飞行控制系统的关键是要知道精确的目标位置，目标位置的测量可以通过雷达或前视红外/TV跟踪器/激光测距器来完成，得到带有噪声的径向速度、方位角、俯仰角的量测值．跟踪滤波和目标航迹处理就是不断从量测数据中消除噪声，实时地估计目标的状态变量．为了便于工程实现，简化算法、增加实时功能和提高估值精度是目标状态估值器设计的主要追求目标和努力方向．
　　机动目标跟踪和航迹处理主要需解决两个问题：一是建立较精确的目标机动模型；二是选择合适的滤波器．对于第一个问题，通过比较CV与CA（等速与等加速）模型、Singer模型和机动目标的“当前”统计模型，选用机动目标“当前”统计模型；对于第二个问题，Kalman滤波或推广的Kalman滤波技术作为一种最优或次优线性递推滤波方法已在火控系统中得到了广泛应用．因此基于“当前”统计模型，在球面坐标系下建立了便于工程应用的解耦的空间三通道方程．
3.1.1 目标机动模型
　　在实战过程中，机载雷达给出的量测值是径距r，径距速度，视线俯仰角μ和视 线方位角v，所以采用球面坐标系后，滤波器的输入值直接为雷达的量测值，从而省去了坐 标变换，且便于工程实现．按照机动目标的“当前”统计模型建模思想，处理得到球面坐标 系下三个通道的离散状态方程：
距离通道：
　　　　　　　(1)
　　　　　　　　　　　　　　(2)
俯仰通道：
　　　　　　　　(3)
　　　　　　　　　　　　　　　　(4)
方位通道：
　　　　　(5)
　　　　　　　　(6)
式中：r(k)、μ(k)、v(k)表示KT瞬时的“当前”随机机动加速度的速度均值．
三通道的量测方程分别为：
Zr(k)=HrR(k)+Vr(k)　　　　　　　　　　　　　　　(7)
Zμ(k)=HμE(k)+Vμ(k)　　　　　　　　　　　　　　(8)
Zv(k)=HvB(k)+Vv(k)　　　　　　　　　　　　　　　(9)
式中：；
3.1.2 滤波器模型
以距离通道为例给出标准卡尔曼滤波方程，其余两个通道类似 ．
　　　　　　　(10)
　　　　　　　　　(11)
K(k)=P(k/k-1)HTr[Hrp(k/k-1)HTr+Rr(k)]-1　　　　　　　　　(12)
P(k/k-1)=ΦrP(k-1/k-1)ΦTr+Qr(k)　　　　　　　　　　　(13)
P(k/k)=[1-K(k)Hr]P(k-k-1)　　　　　　　　　　　　　(14)
　　假如考虑用距离通道加速度(k-1)的一步向前预测值(k/k-1)为“当前” 加速度，并为在KT时刻的随机加速度均值．即
　　　　　　　　　　　　　　(15)
把上式加入以上标准卡尔曼方程，即构成了加速度的均值自适应算法．
3.2 空-空导弹攻击火力控制系统模型
　　导弹的攻击方式有纯跟踪攻击、拦射攻击和格斗攻击等几种．在纯跟踪基础上，扩大空-空导弹的离轴能力，即可增大离轴角，进一步可用导弹进行直线拦射攻击，最终实现空- 空导弹对任意方向的目标作全向攻击．在拦射攻击中，攻击机基本上按直线飞行，其机动较小．
　　空-空导弹攻击应控制攻击机的占位和瞄准，这里只研究导弹的瞄准问题．拦射火控有前置跟踪和前置碰撞二种瞄准方式，通过对二者的比较[10]，选择前置碰撞攻击方式，其攻击原理框图如图2所示．当载机在O点时只要满足min＜＜max，则在后续的直线飞行中必须会出现可发射条件．

图2　前置碰撞瞄准攻击示意图

　　前置碰撞瞄准矢量图如图3所示．攻击机直线飞行T1时间至O1点发射导弹．总飞行 时间T=T1+Tf．由图可得矢量方程：
　　　　　　　(16)


图3　前置碰撞瞄准攻击矢量图

　　上式各项分别向飞机机体坐标系投影并整理可得：
　　　　　　　(17)
令Nxf=0，可得待发射时间：
　　(18)
T1代入Nyf、Nzf两式可求得线偏差Nyf、Nzf．如欲将两式解得 的线偏差作为操作指令，尚须乘以一因子,以便将线偏差作为角偏差使用．这里用射程信号( VfT1+VavTf)除以这两偏差值,即乘以1/(VfT1+VavTf)，这样：
　　　　　　　(19)
eμ、ev分别为高低角偏差、方位角偏差．
3.3 飞机与飞控系统模型
　　按照综合控制的要求，对于飞机与飞行控制部分，飞机方程采用五自由度全量耦合方程，没有用小扰动假设进行简化，比较接近于实际情况．并在某数字三轴ACT控制增稳系统的基础上建立了飞控系统模型．
3.4 火飞耦合器设计
　　火力/飞行耦合器是整个综合控制系统的核心，是联系火力控制系统与飞行控制系统的枢纽．它将原本分离的火控系统与飞控系统有机结合在一起，组成一个闭环武器自动攻击系统，实现综合控制．对于空-空导弹攻击模态，它的主要功能是将空对空导弹火控攻击系统得到的瞄准误差信息，经过适当处理，转化成一个适合飞控系统需要的控制指令，操纵飞机消除瞄准误差，使飞机按要求的方式飞行．
　　火/飞耦合器的设计目标就是如何综合eμ、ev等计算所得信号，并将综合后的信号 分配到三轴电传操纵控制增稳系统的三个通道中，以控制飞机实现精确的瞄准和攻击．
火飞耦合器的总体设计要求是：
　　(1)为IFFCS提供合适的系统阻尼，使消除瞄准误差快速无振荡；
　　(2)在飞控操纵权限内满足火飞操纵要求；
　　(3)应限制自动操纵指令和飞机过载，确保飞机安全；
　　(4)在飞行包线内，系统具有足够的鲁棒性．
　　以往的IFFCS研究中，不少学者提出了多种耦合器设计方法和控制方案．由于整个 火力/飞行系统是十分复杂的大系统，而且各环节都是非线性的，如果要采用经典控制理论 的频域方法或现代控制理论的多变量方法，就不可避免要对系统大量简化，而且简化的过程 也是比较困难的．因此本文避开这些矛盾，直接采用现代经常应用的数字仿真进行参数寻优 选取法来设计．
　　空对空导弹攻击过程中，由于导弹自身具有制导能力，在消除瞄准偏差方面与空对空航炮射击过程相比，可以放宽要求．所以本文在设计火/飞耦合器时，仅简单地引入比例环节 ，同时引入角速度反馈以改善阻尼，通过仿真，调整参数，使响应结果满意．
　　图4，图5分别是纵向和横航向耦合器设计框图.

图4　纵向火/飞耦合器结构图

图5　横航火/飞耦合器结构框图

　　结构框图中，引入角速率反馈是为了改善系统的阻尼，结构滤波器的频率特性是一阶陷波特性，可以抑制弹性模态的输入，而对其它频带影响极微．耦合器的输出加以限幅是为了防止超出飞机或驾驶员所承受的过载或者角速率大小．比例增益系数直接关系到系统的误差消除过程的响应与系统静差，其设计是主要的．
　　在横航向通道，因滚转通道和偏航通道相互交联，因此该通道的设计关键在于使滚转通道与偏航通道协调地工作．引入滚转角反馈信号是考虑到导弹发射时攻击机不能作大机动，使系统在消除瞄准偏差同时，将机身改平．
4　系统仿真
　　由于飞机是火控系统的载体，所以首先对飞机与飞控系统进行仿真，然后加入火/飞耦合器 ，进行综合火/飞全系统仿真，调整耦合器参数，得到满意的响应曲线．飞机的气动参数随 高度、马赫数等变化较大，因此只能选取有代表性的设计点进行设计，来确定耦合器参数随 高度、速度的变化规律．本文以高度H=5000m，马赫数Ma=0.9的设计点为实例进行仿真 ．
　　飞机与飞控系统仿真部分输出参数的响应曲线如图6所示，飞控系统的控制特性比较满 意，符合综合火力/飞行控制系统的基本要求．

图6 飞机参数阶跃响应曲线

　　在以上子系统仿真的基础上，加入火/飞耦合器环节，对耦合器的参数进行设计．全系统仿真流程框图如图7所示．首先设计耦合器纵向通道的参数，攻击机初始位置(0,5000,0)，目标机初始位置(12000,8000,0)，目标进入角120°，目标速度288.5m/s．目标作水平圆周盘旋运动．通过调整耦合器参数，得到较满意的误差响应曲线．此时耦合器参数为： KZ=1.4，Kωz=0.2．然后设计横航向通道耦合器参数．由于滚转通道和偏航通道强耦合，所以两个通道的参数需同时设计，使系统协调工作．最后得到横航向通道耦合器参数 ： Kx=24.5，Ky=24，Kωx=1.0，Kωy=3.0．俯仰角偏差eμ、方位角 偏差ev的响应曲线如图8所示．

图7　综合火力/飞行控制系统信真信息流图

图8　俯仰角、方位角误差响应曲线

5　结论
　　在仿真过程中，改变目标的进入角，耦合器参数的变化并不明显，这说明火/飞耦合器的设 计思想是可行的，同时也表明，该系统具有较强的鲁棒性．整个系统的仿真表明，利用综合 火力/飞行控制系统可以实现空—空导弹攻击过程的自动化．运用综合火/飞控制系统，可以 使攻击机快速地完成攻击阶段的前置瞄准，增加了攻击的机会，同时也减轻了飞行员的负担 ，使飞行员可以腾出精力来观察战场威胁环境，作战术决策
图8 俯仰角、方位角误差响应曲线

注释：基金项目：国家教季跨世纪优秀人才培养半划基金，国防预研基金和航空科学基金资助项目
作者简介：孙军纪，男，24岁，硕士．研究领域为目标跟踪、信息融合、智能控制．
　　　　　敬忠良，男，38岁，教授．研究领域为目标跟踪、随机控制、信息融合、智能控制．
　　　　　徐 毅，男，26岁，博士生．研究领域为航空电子系统、信息融合．
作者单位：西北工业大学自动控制系 西安 710072
参考文献
1　 Lambert R E．The Theory and use of the on Board Simulation Concept for the Integrated Flight and Fire Control Development Program．NAECON， May 1982
2　 马登武，范学贤． 综合火力飞行控制系统数字仿真研究．系统工程与电子技术，1991, 9:36～43
3 　马晓军，张明廉等．空-空机炮模态的综合火力/飞行控制系统设计． 北京航空航天大 学学报，1995，21:70～77
4 　李文华，文传源．综合控制系统的特征设计．北航科技报告 1991
5 　周宏仁，敬忠良，王培德．机动目标跟踪．北京：国防工业出版社，1991
6 　文传源．现代飞行控制系统． 北京航空航天大学出版社，1992
7 　陆彦等．航空火力控制技术．北京：国防工业出版社，1994
8 　郭 治．现代火控理论． 北京：国防工业出版社，1996
9 　飞机飞行控制系统手册． 北京：国防工业出版社，1994
10　王丕宏．导弹拦射火控若干问题研究．电光与控制 1994,(4)：1～7

收稿日期：1998-05-06
