消除全捷联导引头制导回路刻度尺系数误差的装置和方法
【专利摘要】本发明公开了一种消除全捷联导引头制导回路刻度尺系数误差的装置和方法，所述装置包括输入模块、滤波模块、评估模块和补偿模块，通过输入模块在过载指令信息上叠加强迫抖动信号，弹体前向通道和姿态陀螺补偿通道在经过滤波模块过滤后的信号中提取视线角速率信号弹体姿态角速率信号，通过评估模块建立状态方程和量测方程以及卡尔曼滤波方程，通过卡尔曼滤波方程评估计算刻度尺系数误差的估计值，通过补偿模块将刻度尺系数误差的估计值和弹体姿态角速率信息相乘，并将乘得的补偿信息输入至含弹体扰动的惯性系下弹目视线角速率信息中，从而完成刻度尺系数误差的补偿，消除刻度尺系数误差对制导回路稳定性的影响，并显著提高制导精度，减小脱靶量。
【专利说明】消除全捷联导引头制导回路刻度尺系数误差的装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及导弹制导领域捷联导引头刻度尺系数误差的消除装置和方法，具体涉 及一种消除全捷联导引头制导回路刻度尺系数误差的装置和方法。
【背景技术】
[0002] 导引头技术是精确制导武器系统中的关键技术，导引头性能的优劣直接影响着精 确制导武器的作战效果，随着探测器制造技术和成像导引头技术的逐渐发展，导引头瞬时 视场已经增加到可以去掉万向支架的程度，捷联导引头及其寻的制导技术也就应运而生， 捷联导引头固连在弹体上，去掉万向支架以后，捷联导引头体积小重量轻价格便宜，从国内 外导弹武器系统的研究发展状况来看，捷联导引头必将成为未来导弹视线导引方法的主要 形式之一。
[0003] 导引头和陀螺的刻度尺系数误差是制导控制系统中的重要误差源之一，全捷联导 引头在提取视线角速度的过程中，需要同时利用导引头量测的误差角信号和弹上惯导量测 的弹体姿态信号，这两个传感器的刻度尺系数不一致就会引起隔离度，进而在制导回路中 产生隔离度寄生回路。它不仅会影响有效导航比，还会引起制导系统潜在的不稳定性，降 低制导精度。目前针对捷联导引头刻度尺系数误差的问题，目前鲜有很好的解决方法。
[0004] 由于上述问题的存在，本发明人对现有的全捷联导引头制导回路进行了深入研 究，以便提出解决刻度尺系数误差的方法。
【发明内容】
[0005] 为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，结果发现，通过设置一种消除全捷 联导引头制导回路刻度尺系数误差的装置，该装置用于实现消除全捷联导引头制导回路刻 度尺系数误差的方法，所述装置包括输入模块、滤波模块、评估模块和补偿模块，通过输入 模块在过载指令信息上叠加强迫抖动信号，弹体前向通道和姿态陀螺补偿通道在经过滤波 模块过滤后的信号中提取视线角速率信号弹体姿态角速率信号，通过评估模块建立状态方 程和量测方程以及卡尔曼滤波方程，通过卡尔曼滤波方程评估计算刻度尺系数误差的估计 值，通过补偿模块将刻度尺系数误差的估计值和弹体姿态角速率信息相乘，并将乘得的补 偿信息输入至含弹体扰动的惯性系下弹目视线角速率信息中，从而完成刻度尺系数误差的 补偿，从而完成本发明。
[0006] 具体来说，本发明的目的在于提供以下方面：
[0007] (1) -种消除全捷联导引头制导回路刻度尺系数误差的装置，
[0008] 所述全捷联导引头制导回路包括：二次积分模块，其对接收到的目标加速度信息 进行二次积分处理，并输出导弹与目标位置偏差信息；数学模块，其用于接收导弹与目标位 置偏差信息，并输出弹目视线角信息；微分模块，其对弹目视线角信息进行微分计算得到弹 目视线角速率信息；比例导引律模块，其接收弹目视线角速率信息，并将计算得到的过载指 令信息输送至驾驶仪动力学模块；驾驶仪动力学模块，其输出导弹加速度响应信息；角速 率陀螺动力学模块，其根据导弹加速度响应信息测量并输出弹体角速率信息；积分模块，其 接收弹体角速率信息并对接收到的信息进行积分处理，得到弹体姿态角信息；其中，通过弹 体前向通道提取弹目视线角速率信息，通过姿态陀螺补偿通道提取弹体姿态角速率信息；
[0009] 其特征在于，该装置包括：输入模块、滤波模块、评估模块和补偿模块，其中：
[0010] 输入模块用于输出强迫抖动信号，并将该强迫抖动信号叠加在由比例导引律模块 输出的过载指令信息上，所述的强迫抖动信号为固定幅值和固定频率的正弦信号，其中，幅 值大于或等于弹体需用过载，频率为15rad/s以上；
[0011] 滤波模块包括带通滤波器，带通滤波器设置于弹体前向通道和姿态陀螺补偿通道 上，带通滤波器用于过滤进入弹体前向通道的信号和进入姿态陀螺补偿通道的信号，弹体 前向通道和姿态陀螺补偿通道从经过带通滤波器过滤的信号中提取由强迫抖动信号引起 的视线角速率信号和由强迫抖动信号引起的弹体姿态角速率信号；
[0012] 评估模块用于接收弹体前向通道和姿态陀螺补偿通道提取出的由强迫抖动信号 引起的弹目视线角速率信息和由强迫抖动信号引起的弹体姿态角速率信息，跟据接收到的 信息建立状态方程和量测方程，并根据状态方程和量测方程建立卡尔曼滤波方程，通过卡 尔曼滤波方程计算得到刻度尺系数误差的估计值，把刻度尺系数误差的估计值输入至补偿 模块，所述状态方程如下
[0013]
【权利要求】
1. 一种消除全捷联导引头制导回路刻度尺系数误差的装置， 所述全捷联导引头制导回路包括：二次积分模块，其对接收到的目标加速度信息进行 二次积分处理，并输出导弹与目标位置偏差信息；数学模块，其用于接收导弹与目标位置偏 差信息，并输出弹目视线角信息；微分模块，其对弹目视线角信息进行微分计算得到弹目视 线角速率信息；比例导引律模块，其接收弹目视线角速率信息，并将计算得到的过载指令信 息输送至驾驶仪动力学模块；驾驶仪动力学模块，其输出导弹加速度响应信息；角速率陀 螺动力学模块，其根据导弹加速度响应信息测量并输出弹体角速率信息；积分模块，其接收 弹体角速率信息并对接收到的信息进行积分处理，得到弹体姿态角信息；其中，通过弹体前 向通道提取弹目视线角速率信息，通过姿态陀螺补偿通道提取弹体姿态角速率信息； 其特征在于，该装置包括：输入模块、滤波模块、评估模块和补偿模块，其中： 输入模块用于输出强迫抖动信号，并将该强迫抖动信号叠加在由比例导引律模块输出 的过载指令信息上，所述的强迫抖动信号为固定幅值和固定频率的正弦信号，其中，幅值大 于或等于弹体需用过载，频率为15rad/ s以上； 滤波模块包括带通滤波器，带通滤波器设置于弹体前向通道和姿态陀螺补偿通道上， 带通滤波器用于过滤进入弹体前向通道的信号和进入姿态陀螺补偿通道的信号，弹体前向 通道和姿态陀螺补偿通道从经过带通滤波器过滤的信号中提取由强迫抖动信号引起的视 线角速率信号和由强迫抖动信号引起的弹体姿态角速率信号； 评估模块用于接收弹体前向通道和姿态陀螺补偿通道提取出的由强迫抖动信号引起 的弹目视线角速率信息和由强迫抖动信号引起的弹体姿态角速率信息，跟据接收到的信息 建立状态方程和量测方程，并根据状态方程和量测方程建立卡尔曼滤波方程，通过卡尔曼 滤波方程计算得到刻度尺系数误差的估计值，把刻度尺系数误差的估计值输入至补偿模 块，所述状态方程如下
量测方程如下
卡尔曼滤波方程如下
其中，q为惯性系下弹目视线角，4为惯性系下弹目视线角速率，C为寄生回路刻度尺系 数误差，μ 3为系统过程噪声，；；为含弹体扰动的惯性系下弹目视线角速率，Θ为弹体姿态 角，?为刻度尺系数误差的估计值，μ n为系统量测噪声，I、κ2、κ3为卡尔曼滤波方程增益； 补偿模块用于接收评估模块输出的刻度尺系数误差的估计值，并将刻度尺系数误差的 估计值乘以弹体姿态角速率得到补偿信息，补偿模块将其计算得到的补偿信息反馈至含弹 体扰动的惯性系下弹目视线角速率信息中。
2. 根据权利要求1所述的消除全捷联导引头制导回路刻度尺系数误差的装置，其特征 在于，输入模块包括信号发生器，通过信号发生器输出强迫抖动信号，其中，信号发生器设 置在弹载计算机中。
3. 根据权利要求1所述的消除全捷联导引头制导回路刻度尺系数误差的装置，其特征 在于，带通滤波器的滤波方程如下
其中，《，表示带通滤波器的频率，带通滤波器的频率和强迫抖动信号的频率相同；Κ是 指带通滤波器调节增益，S是拉普拉斯算子，2η表示带通滤波器的阶数，η大于3,带通滤波 器共有两个，分别设置于弹体前向通道和姿态陀螺补偿通道上。
4. 根据权利要求1所述的消除全捷联导引头制导回路刻度尺系数误差的装置，其特征 在于，该装置实时计算刻度尺系数误差的估计值，并将补偿信息反馈至含弹体扰动的惯性 系下弹目视线角速率信息中。
5. 根据权利要求1所述的消除全捷联导引头制导回路刻度尺系数误差的装置，其特征 在于，强迫抖动信号的幅值等于弹体需用过载，强迫抖动信号的频率为15rad/s。
6. -种消除全捷联导引头制导回路刻度尺系数误差的方法， 所述全捷联导引头制导回路包括：二次积分模块，其对接收到的目标加速度信息进行 二次积分处理，并输出导弹与目标位置偏差信息；数学模块，其用于接收导弹与目标位置偏 差信息，并输出弹目视线角信息；微分模块，其对弹目视线角信息进行微分计算得到弹目视 线角速率信息；比例导引律模块，其接收弹目视线角速率信息，并将计算得到的过载指令信 息输送至驾驶仪动力学模块；驾驶仪动力学模块，其输出导弹加速度响应信息；角速率陀 螺动力学模块，其根据导弹加速度响应信息测量并输出弹体角速率信息；积分模块，其接收 弹体角速率信息并对接收到的信息进行积分处理，得到弹体姿态角信息；其中，通过弹体前 向通道提取弹目视线角速率信息，通过姿态陀螺补偿通道提取弹体姿态角速率信息； 其特征在于，该方法包括如下步骤， 第一步，在由比例导引律模块输出的过载指令信息上叠加一个强迫抖动信号，所述的 强迫抖动信号为固定幅值和固定频率的正弦信号，其中，幅值大于或等于弹体需用过载，频 率15rad/s以上； 第二步，在弹体前向通道和姿态陀螺补偿通道上分别设置带通滤波器，通过两个带通 滤波器过滤进入弹体前向通道的信号和进入姿态陀螺补偿通道的信号，弹体前向通道和姿 态陀螺补偿通道从经过带通滤波器过滤的信号中提取由强迫抖动信号引起的视线角速率 信号和由强迫抖动信号引起的弹体姿态角速率信号； 第三步，接收弹体前向通道和姿态陀螺补偿通道提取出的由强迫抖动信号引起的弹目 视线角速率信息和由强迫抖动信号引起的弹体姿态角速率信息，并根据上述信息建立状态 方程和量测方程，根据状态方程和量测方程建立卡尔曼滤波方程，通过卡尔曼滤波方程计 算出刻度尺系数误差的估计值，最后输出刻度尺系数误差的估计值，所述状态方程如下
量测方程如下
卡尔曼滤波方程如下
其中，q为惯性系下弹目视线角，4为惯性系下弹目视线角速率，C为寄生回路刻度尺系 数误差，μ 3为系统过程噪声/c；为含弹体扰动的惯性系下弹目视线角速率，Θ为弹体姿态 角，?为刻度尺系数误差的估计值，μη为系统量测噪声，Ki、K2、K3为卡尔曼滤波方程增益； 第四步，接收上述第三步输出的刻度尺系数误差的估计值，并将刻度尺系数误差的估 计值和弹体姿态角速率相乘，得到的计算结果为补偿信息，将计算得到的补偿信息反馈至 含弹体扰动的惯性系下弹目视线角速率信息中。
7. 根据权利要求6所述的消除全捷联导引头制导回路刻度尺系数误差的方法，其特征 在于，强迫抖动信号通过信号发生器发出，其中，信号发生器设置在弹载计算机中。
8. 根据权利要求6所述的消除全捷联导引头制导回路刻度尺系数误差的方法，其特征 在于，带通滤波器的滤波方程如下
其中，ωΗ表不带通滤波器的频率，K是指带通滤波器调节增益，s是拉普拉斯算子，2n 表示带通滤波器的阶数，η大于3,带通滤波器的频率和强迫抖动信号的频率相同，带通滤 波器共有两个，分别设置于弹体前向通道和姿态陀螺补偿通道上。
9. 根据权利要求6所述的消除全捷联导引头制导回路刻度尺系数误差的方法，其特征 在于，该方法实时计算刻度尺系数误差的估计值，并实时将补偿信息反馈至含弹体扰动的 惯性系下弹目视线角速率信息中。
10. 根据权利要求6所述的消除全捷联导引头制导回路刻度尺系数误差的方法，其特 征在于，强迫抖动信号的幅值等于弹体需用过载，强迫抖动信号的频率为15rad/s。
【文档编号】G01C25/00GK104111078SQ201410176948
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年4月29日 优先权日:2014年4月29日
【发明者】杨哲, 王江, 唐义平, 郑多 申请人:北京理工大学, 中国北方工业公司