GPS/SINS/MMW复合制导关键技术研究

论文摘要

该文主要研究攻击慢速目标的巡航导弹制导系统中段导航、中末交班和末制导导引头设计与仿真三部分内容。中段导航、中末交班是MMW(毫米波)导引头可靠的捕获目标的关键，导航误差的大小决定中末交班的成功与否，而MMW导引头是攻击慢速目标的关键部件，因此三部分内容是GPS／SINS／MMW(GPS：全球卫星定位系统；SINS：捷联惯导系统；MMW：毫米波)复合制导系统相互关联的关键技术。文中首先研究弹载陀螺仪编排方案，根据该方案中陀螺仪输出角增量，结合GPS／SINS／MMW导弹的动态特性提出一种角增量姿态算法。针对陆基GPS／SINS／MMW制导的巡航导弹，捷联惯导的初始对准采用两位置对准算法，文中提出有别于传统多位置对准算法的两位置对准改进算法，节省了对准时间，而且不用进行三位置对准就可以估计陀螺的天向漂移，通过仿真表明方位误差角估计精度满足中远程巡航导弹的要求。从导弹的研制规律出发，在设计阶段尽量采用状态变量少的卡尔曼滤器，在进行风洞试验确定了导弹的气动外形后，再增加卡尔曼滤波器的维数，以达到提高制导精度的目的，为此文中对21维和15维卡尔曼滤波器都进行研究，对中制导系统精度进行仿真，并设计根据中制导系统误差计算末制导启控点散布域的Matlab算法，给出散布域仿真结果。中末交班段首先研究横向捕获域和MMW导引头参数之间的关系，设计一种易实现的中段导引律，提出满足GPS／SINS／MMW复合制导交班要求的中末交接律，仿真表明，该交接律能够实现中末弹道的二阶平滑过渡。在中末交班段要求卡尔曼滤波器的数据更新频率比中段要快得多，为此文中设计交班段的简化卡尔曼滤器，而且精度在交班段内满足要求。最后部分研究MMW导引头的总体技术方案和关键参数设计，提出导引头角跟踪算法和天线稳定去耦算法，通过计算捷联姿态阵来实现天线稳定，数学平台可以对复合制导过程中的视线和天线的夹角进行处理，实现文中提出的角跟踪算法。建立烟雾降低MMW末制导导弹杀伤概率的数学模型，若巡航导弹攻击目标时MMW无源干扰严重，可由卡尔曼外推器预测目标状态，向导弹自动驾驶仪提供信号控制导弹攻击目标，以实现制导系统的抗干扰功能。文中对制导系统进行仿真表明：GPS／SINS／MMW制导导弹的圆概率偏差和命中概率比单一的GPS／SINS导引头有较大改进，加装MMW导引头不但使巡航导弹可攻击慢速战略目标，而且降低对SINS硬件的精度要求，仿真表明，GPS／中等精度SINS／MMW制导导弹的CEP和GPS／高精度SINS制导导弹的CEP相当。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 论文研究的背景及意义
• 1.2 GPS/SINS在导弹制导系统应用中的发展、现状及不足
• 1.3 GPS/SINS加装MMW系统的优越性
• 1.4 论文的主要研究工作和创新点
• 第二章 弹载陀螺仪配置方案及捷联惯导关键技术研究
• 2.1 制导坐标系和参数的选择
• 2.1.1 制导坐标系
• 2.1.2 常用参数及变量
• 2.2 惯性导航系统特点分析
• 2.3 捷联惯导系统力学编排及误差模型
• 2.3.1 弹体姿态和航向角的计算
• 2.3.2 速度和位置的计算
• 2.3.3 惯导系统的误差模型
• 2.4 弹载陀螺仪配置方案及SINS姿态算法研究
• 2.4.1 二自由度陀螺仪的弹载配置方案
• 2.4.2 余度惯性器件的性能管理
• 2.4.3 故障检测与识别
• 2.4.4 数据处理与系统重排
• 2.4.5 一种适合GPS/SINS/MMW制导系统中末段的实时姿态算法
• 2.5 捷联惯导的初始对准算法研究
• 2.5.1 解析式静基座粗对准
• 2.5.2 一种静基座两位置最优精对准算法
• 第三章 GPS/SINS中制导滤波器设计
• 3.1 GPS卫星导航定位系统分析
• 3.1.1 卫星导航定位原理及进展
• 3.1.2 GPS导航定位解算原理
• 3.1.3 GPS导航定位解算过程
• 3.2 GPS误差模型
• 3.3 矩阵外积法卡尔曼滤波器
• 3.4 GPS/SINS组合卡尔曼滤波器
• 3.4.1 GPS/SINS组合方式
• 3.4.2 卡尔曼滤波器在GPS/SINS组合系统中的结构形式
• 3.4.3 GPS/SINS位置/速度组合系统模型
• 3.5 GPS/SINS组合卡尔曼滤波器可观测性分析
• 3.5.1 组合导航系统可观测性分析
• 3.5.2 中制导系统可观测性仿真
• 3.5.3 中制导系统的精度仿真数值
• 第四章 GPS/SINS/MMW巡航导弹中末制导交班研究
• 4.1 末制导导引头对地面目标的两种捕获域
• 4.2 远程巡航导弹中段导引律设计
• 4.3 中末交接律及末段导引律
• 4.3.1 巡航导弹末段导引律
• 4.3.2 一种GPS/SINS/MMW巡航导弹中末交接律设计
• 4.4 中末交班段GPS/SINS降阶卡尔曼滤波器设计
• 4.5 导弹运动学模型
• 4.6 仿真与分析
• 4.7 结论
• 第五章 毫米波导引头设计和仿真
• 5.1 MMW制导的优势
• 5.1.1 MMW导引头角分辨率高
• 5.1.2 导弹捕捉小目标、机动目标的能力高
• 5.1.3 MMW制导导弹抗干扰能力强
• 5.1.4 准全天候工作能力
• 5.2 MMW制导的劣势
• 5.2.1 显著的大气衰减使末制导雷达最大探测距离减小
• 5.2.2 导弹的捕捉概率和有效制导距离减小
• 5.3 MMW导引头总体技术方案
• 5.3.1 MMW导引头的组成
• 5.3.2 MMW导引头的弹上安装方法
• 5.3.3 毫米波导引头技术指标要求
• 5.3.4 毫米波末制导雷达总体技术方案
• 5.4 MMW导引头天线稳定及角跟踪算法研究
• 5.4.1 速度捷联模快
• 5.4.2 导引头天线稳定算法
• 5.4.3 MMW导引头角跟踪算法
• 5.5 MMW雷达导引头探测距离分析
• 5.5.1 PD雷达作用距离计算
• 5.5.2 PD处理时的有效功率
• 5.5.3 PD处理时的遮挡效应
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 论文的不足之处与展望
• 致谢
• 攻读博士期间发表的论文和所做工作
• 参考文献