一种基于弹道视角的超前修正制导方法技术

本发明专利技术提出一种基于弹道视角的超前修正制导方法，可适用于脉冲发动机位于非质心处的炮弹，构建弹丸的动力学和运动学模型并对其进行数值解算得到理论弹道，基于实际弹道和理论弹道可以得到弹道视角并进行超前修正，能够有效地实现弹道追踪。效地实现弹道追踪。效地实现弹道追踪。

【技术实现步骤摘要】
一种基于弹道视角的超前修正制导方法


[0001]本专利技术属于制导控制领域，涉及一种基于弹道信息，通过弹道视角超前修正实现炮弹制导的方法，适用于脉冲发动机位于非质心处的炮弹制导控制。

技术介绍

[0002]制导炮弹通过设计制导控制律对弹丸飞行轨迹进行控制。要实现弹丸飞行轨迹的修正，就必须借助执行机构对高速飞行的弹丸施加一定的控制力，脉冲发动机作为一种执行机构，控制实现方便，成本较低，能够提供弹丸弹道修正所需的控制力/力矩，在极短时间内建立大攻角，迅速改变弹丸的姿态和飞行轨迹，实现弹丸的弹道修正。为了保证弹道修正效果和实时性，基于脉冲力控制的弹丸常使用弹道追踪制导方法，其核心思路是预先装订好理论弹道，计算同一时刻实时弹道和理论弹道的位置偏差，再控制脉冲发动机点火时机，使得实时弹道不断逼近理论弹道，然而当脉冲发动机位于弹丸非质心处时，脉冲力作用改变的是弹丸姿态而非位置，因此，对于脉冲发动机位于非质心处的炮弹如何实现弹道追踪控制，是亟需解决的问题。

技术实现思路

[0003]针对脉冲发动机位于弹丸非质心处的情况，本专利技术提出一种基于弹道视角的超前修正制导方法，以实时弹道和理论弹道获得的弹道视角进行超前修正，实现弹丸飞行轨迹修正。
[0004]一种基于弹道视角的超前修正制导方法，包括如下步骤：
[0005]步骤S1、构建弹丸动力学模型和运动学模型；
[0006]步骤S2、给定弹丸的结构参数以及外界环境参数，采用四阶龙格库塔法对弹丸的动力学和运动学模型进行数值求解，得到理论弹道；/>[0007]步骤S3、基于实际弹道和理论弹道得到弹道视角，并通过弹道视角和速度矢量计算误差角和脉冲作用方位角，具体为：
[0008]在理论弹道中添加射角和射速误差来模拟实际弹道；若当前时刻是t
n
，则在实际弹道中弹丸的坐标为在t
n
+T时刻理论弹道弹丸的坐标为T表示超前修正的时间，两者连线得到弹道视线方向v
e
＝(x
e
,y
e
,z
e
)，其中：
[0009][0010]由上面公式得到弹道视角即弹道视线高低角θ
e
和弹道视线方位角ψ
e
：
[0011][0012]高低角和方位角的误差分别为：
[0013][0014]式中θ
a
和ψ2分别代表了速度高低角和速度方位角；
[0015]根据上式分别得到误差角σ和脉冲作用方位角γ
p
：
[0016][0017][0018]步骤S4：进行脉冲推力等效，并基于脉冲作用方位角得到脉冲直接力和力矩的表达式，具体为：
[0019]用矩形脉冲模拟实际脉冲推力，即将发动机点火产生的脉冲推力看作常值F
imp
；
[0020]将上述脉冲力F
imp
在弹轴坐标系中沿着坐标轴分解，得到脉冲作用力及其对弹丸质心产生的力矩，分别为：
[0021][0022][0023]式中，F
imp_ξ
、F
imp_η
和F
imp_ζ
分别是脉冲作用力在弹轴坐标系的表示，γ
p
表示脉冲作用方位角，L
imp
表示脉冲发动机距离质心距离；
[0024]经过坐标变换之后得到脉冲作用力在速度坐标系下的表示为：
[0025][0026]式中δ1和δ2分别表示高低攻角和方位攻角；
[0027]步骤S5：利用步骤S4中得到的脉冲作用力及其对弹丸质心产生的力矩来控制弹丸
飞行，实现弹道修正；并且，利用利用步骤S4中得到的脉冲作用力及其对弹丸质心产生的力矩，来修正弹丸的动力学和运动学模型中的作用在弹丸上的外力和外力矩，由此修正弹丸动力学和运动学模型，然后继续执行步骤S2
‑
S5，进行下一次的弹道修正。
[0028]较佳的，所述步骤S5中，在设定时刻对弹丸进行弹道修正。
[0029]较佳的，所述步骤S4中：
[0030][0031]式中，F(t)表示实际脉冲推力，t0表示脉冲发动机点火开始时间，t1表示脉冲发动机点火结束时间，τ表示等效脉冲推力的脉冲宽度。
[0032]本专利技术具有如下有益效果：
[0033]本专利技术提出一种基于弹道视角的超前修正制导方法，可适用于脉冲发动机位于非质心处的炮弹，构建弹丸的动力学和运动学模型并对其进行数值解算得到理论弹道，基于实际弹道和理论弹道可以得到弹道视角并进行超前修正，能够有效地实现弹道追踪。
附图说明
[0034]图1为弹丸的理论弹道示意图；
[0035]图2为弹道视线方向和速度方向示意图；
[0036]图3为弹道视角和速度矢量示意图；
[0037]图4为等效脉冲推力示意图；
[0038]图5为脉冲力作用示意图；
[0039]图6为弹道修正效果示意图。
具体实施方式
[0040]为了相关技术人员能够更好的理解本专利技术的内容，下面将结合申请实施例中的附图，对本专利技术的技术方案进行准确地描述。
[0041]一种基于弹道视角的超前修正制导方法，具体实施步骤如下：
[0042]S1：构建弹丸动力学和运动学模型，首先构建弹丸的质心动力学和运动学方程组，弹丸质心运动满足牛顿第二定律，即：
[0043][0044]式中m表示弹丸质量，v表示弹丸的速度矢量，F是作用在弹丸上的外力矢量和，t表示时间变量，是弹丸对地面坐标系的加速度，如在速度坐标系内表示上式，则它为速度系内的速度变化率与牵连运动部分之和：
[0045][0046]式中ω1表示速度坐标系的转动角速度。
[0047]将上述表达式的各物理量均投影到速度坐标系得到弹丸质心动力学方程如下：
[0048][0049]式中，和表示F的x、y、z三轴分量；θ
a
表示弹道倾角，ψ2表示弹道偏角。
[0050]将速度矢量投影到地面坐标系可以得到弹丸质心运动方程为：
[0051][0052]接下来需要构建弹丸绕质心动力学和运动学方程组，弹丸绕质心运动满足动量矩定理，即：
[0053][0054]式中M为作用在弹丸上所有外力矩矢量和,G为弹丸动量矩矢量，在弹轴坐标系内写出弹丸动量矩定理，应考虑弹轴坐标系的牵连运动，即：
[0055][0056]式中ω2表示弹轴坐标系的转动角速度。
[0057]将上述物理量均投影到弹轴坐标系下，再省略小量的乘积项，得到弹丸绕质心运动的动力学方程组如下：
[0058][0059]式中，ω
ξ
、ω
η
和ω
ζ
分别是弹丸转动角速度在弹轴坐标系下的表示，M
ξ
、M
η
和M
ζ
分别是外力矩在弹轴坐标系下的表示，C表示极转动惯量，A表示赤道本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于弹道视角的超前修正制导方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1、构建弹丸动力学模型和运动学模型；步骤S2、给定弹丸的结构参数以及外界环境参数，采用四阶龙格库塔法对弹丸的动力学和运动学模型进行数值求解，得到理论弹道；步骤S3、基于实际弹道和理论弹道得到弹道视角，并通过弹道视角和速度矢量计算误差角和脉冲作用方位角，具体为：在理论弹道中添加射角和射速误差来模拟实际弹道；若当前时刻是t
n
，则在实际弹道中弹丸的坐标为在t
n
+T时刻理论弹道弹丸的坐标为T表示超前修正的时间，两者连线得到弹道视线方向v
e
＝(x
e
,y
e
,z
e
)，其中：由上面公式得到弹道视角即弹道视线高低角θ
e
和弹道视线方位角ψ
e
：高低角和方位角的误差分别为：式中θ
a
和ψ2分别代表了速度高低角和速度方位角；根据上式分别得到误差角σ和脉冲作用方位角γ
p
：：步骤S4：进行脉冲推力等效，并基于脉冲作用方位角得到脉冲直接力和力矩的表达式，具体为：用矩形脉冲模拟实际脉冲推力，即将发动机点火产生的脉冲推力看作常值F
imp
；...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓志红，苗志豪，沈凯，梁新宇，付梦印，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：