精確制導(dǎo)彈藥低成本制導(dǎo)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳法揚(yáng)，薛 琥

（中航工業(yè)西安飛行自動(dòng)控制研究所，西安 710065）

精確制導(dǎo)彈藥低成本制導(dǎo)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳法揚(yáng)，薛 琥

（中航工業(yè)西安飛行自動(dòng)控制研究所，西安 710065）

針對(duì)精確制導(dǎo)彈藥制導(dǎo)控制系統(tǒng)低成本的迫切需求，提出了一種彈載低成本制導(dǎo)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。建立了一種彈載制導(dǎo)控制系統(tǒng)低成本體系架構(gòu)，從功能、硬件、軟件等方面對(duì)其進(jìn)行了GNC一體化設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上提出了一種基于ARM處理器的一體化制導(dǎo)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方法。針對(duì)MEMS導(dǎo)航系統(tǒng)精度低、噪聲大特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種慣性/衛(wèi)星數(shù)字制導(dǎo)方案。該低成本制導(dǎo)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法可有效減少系統(tǒng)冗余硬件，降低成本，實(shí)現(xiàn)較高的制導(dǎo)控制精度，滿足未來低成本精確制導(dǎo)武器的需求。

低成本，GNC一體化，ARM處理器，慣性/衛(wèi)星數(shù)字制導(dǎo)

0 引言

近二十年來，隨著電子技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、MEMS技術(shù)的飛速發(fā)展，精確制導(dǎo)彈藥的研究和應(yīng)用在世界范圍內(nèi)受到了普遍的重視，成為當(dāng)前航空武器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，比如美國(guó)已經(jīng)裝備的低成本制導(dǎo)彈藥JDAM（聯(lián)合制導(dǎo)攻擊武器）、SDB（小直徑炸彈），以及正在研制的低成本巡飛彈等項(xiàng)目。

但是作為彈藥的關(guān)鍵核心，現(xiàn)有制導(dǎo)控制系統(tǒng)通常采用分離式設(shè)計(jì)，包含制導(dǎo)計(jì)算機(jī)、慣性測(cè)量組件、衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)、舵機(jī)控制器、電動(dòng)伺服舵機(jī)等部件；部件之間采用外部總線進(jìn)行信息交互；各部件具備獨(dú)立的電源、數(shù)字計(jì)算機(jī)、機(jī)箱，采用電纜連接；這種系統(tǒng)架構(gòu)導(dǎo)致產(chǎn)品成本高、體積大，不能很好地對(duì)接低成本制導(dǎo)彈藥巨大的應(yīng)用需求。迫切需要開展低成本、小型化制導(dǎo)控制系統(tǒng)研究，以適應(yīng)部隊(duì)大批量采購(gòu)。

本文提出了一種精確制導(dǎo)彈藥低成本制導(dǎo)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案綜合采用了GNC（制導(dǎo)、導(dǎo)航、控制）一體化設(shè)計(jì)技術(shù)、基于ARM處理器的高度一體化制導(dǎo)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)、基于MEMS信息的慣性/衛(wèi)星數(shù)字制導(dǎo)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，可有效降低制導(dǎo)控制系統(tǒng)成本、體積，實(shí)現(xiàn)較高的制導(dǎo)控制精度，滿足未來精確制導(dǎo)武器需求。

1 體系架構(gòu)

本方案中低成本制導(dǎo)控制系統(tǒng)采用慣性/衛(wèi)星數(shù)字制導(dǎo)體制，以高速ARM處理器為核心處理平臺(tái)，配置MEMS IMU、衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)等傳感器，采用電動(dòng)舵機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星定位解算、慣性導(dǎo)航解算、組合導(dǎo)航解算、制導(dǎo)控制律解算、電氣控制、彈上任務(wù)管理等功能任務(wù)等進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度管理，確保在單處理器架構(gòu)下高效、協(xié)調(diào)地完成制導(dǎo)彈藥精確制導(dǎo)控制任務(wù)［1］。低成本制導(dǎo)控制系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖1所示。

2 GNC一體化設(shè)計(jì)技術(shù)

針對(duì)精確制導(dǎo)彈藥低成本制導(dǎo)控制系統(tǒng)要求，采用GNC一體化設(shè)計(jì)思想將傳統(tǒng)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、組合導(dǎo)航系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)、硬件、軟件上進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，遵循功能模塊化、通用化、組合化的設(shè)計(jì)理念，對(duì)軟硬件資源進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，達(dá)到資源最優(yōu)配置、降低成本、提高性能的目的［2］。

2.1 硬件一體化

將傳統(tǒng)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、組合導(dǎo)航系統(tǒng)和飛行控制系統(tǒng)中的電子線路部分按電源模塊、處理器模塊、接口通訊模塊等進(jìn)行分解，并重新整合，將相同的功能模塊合并，形成新的模塊化功能板，功能板之間采用PC104連接器進(jìn)行信號(hào)交聯(lián)。采用單處理器的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，完成衛(wèi)星導(dǎo)航、組合導(dǎo)航和制導(dǎo)控制任務(wù)解算。采用層疊式機(jī)箱結(jié)構(gòu)，將制導(dǎo)計(jì)算機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)電路、衛(wèi)星接收機(jī)射頻電子和慣性測(cè)量組件集成到一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，利用一體化電源對(duì)上述功能部件統(tǒng)一供電。使得整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、體積減小、便于安裝使用。

硬件一體化設(shè)計(jì)可大幅減少系統(tǒng)內(nèi)部冗余器件、部件間交聯(lián)接插件等硬件資源，達(dá)到降低成本、減小體積、提高系統(tǒng)可靠性的目的。

2.2 軟件一體化

將傳統(tǒng)彈載軟件按衛(wèi)星導(dǎo)航、組合導(dǎo)航、飛行控制等功能分解、合并，按照數(shù)據(jù)流劃分為不同計(jì)算任務(wù)；采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)對(duì)任務(wù)按優(yōu)先級(jí)管理，實(shí)施搶占式任務(wù)調(diào)度機(jī)制，確保在單處理器架構(gòu)下高效、協(xié)調(diào)地完成衛(wèi)星導(dǎo)航、組合導(dǎo)航、制導(dǎo)控制及伺服控制等功能。軟件一體化設(shè)計(jì)科大幅減少軟件代碼，減小部件間信息傳輸延遲，提升系統(tǒng)性能。

一體化系統(tǒng)中，各功能作為一體化軟件的不同任務(wù)，各功能模塊間信息采用軟件變量傳值，在目前高速處理器情況下幾乎無時(shí)間延遲。而傳統(tǒng)分立系統(tǒng)各功能模塊間普遍采用數(shù)據(jù)總線傳遞信息，時(shí)間延遲較大。兩者信息傳輸延遲情況分別見圖2及圖3所示。

彈載制導(dǎo)控制系統(tǒng)閉環(huán)工作過程中，一體化系統(tǒng)信息傳輸延遲可減小約15 ms，對(duì)于帶寬為2 Hz的制導(dǎo)控制系統(tǒng)，可提高系統(tǒng)穩(wěn)定裕度約10.8°。

3 基于ARM的一體化制導(dǎo)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)

為了充分減少制導(dǎo)計(jì)算機(jī)元器件種類及數(shù)量、提高制導(dǎo)計(jì)算機(jī)集成度，本文提出了一種基于“單核ARM處理器”的高度一體化制導(dǎo)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方案。ARM處理器相對(duì)于傳統(tǒng)的DSP、POWER PC等處理器，具有技術(shù)更新快、性能先進(jìn)、集成度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)［3-4］。

綜合評(píng)估低成本制導(dǎo)控制系統(tǒng)各計(jì)算任務(wù)的運(yùn)算速度、計(jì)算精度、存儲(chǔ)容量以及IO資源需求，本方案選用TI公司的RM48L952處理器作為CPU，一體化制導(dǎo)計(jì)算機(jī)方案設(shè)計(jì)如下：

3.1 處理器及存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)

①處理器采用64位雙精度浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算模式，工作主頻220 MHz；

②存儲(chǔ)器：采用ARM芯片自帶的具有ECC功能的3M flash和256k RAM。

3.2 接口設(shè)計(jì)：

①串口通訊：采用處理器自帶的標(biāo)準(zhǔn)串行外設(shè)接口（SPI）及CAN總線控制器實(shí)現(xiàn)；

②A/D采集：采用ARM芯片自帶的10/12-位多緩沖ADC模塊實(shí)現(xiàn)；

③DI、DO：采用處理器自帶的GIO模塊實(shí)現(xiàn)。

④伺服控制PWM：利用ARM自帶的高端定時(shí)器N2HET1實(shí)現(xiàn)。

該方案中的基于ARM處理器一體化制導(dǎo)計(jì)算機(jī)方案，充分利用了ARM處理器片上自帶存儲(chǔ)器、接口資源，相對(duì)于傳統(tǒng)的DSP+FPGA制導(dǎo)計(jì)算機(jī)架構(gòu)，可大幅縮減元件器種類及數(shù)量，顯著提高制導(dǎo)計(jì)算機(jī)集成度，減小體積、降低成本。

4 MEMS慣性/衛(wèi)星數(shù)字制導(dǎo)技術(shù)

4.1 數(shù)字導(dǎo)引頭構(gòu)建

由于成本約束，低成本制導(dǎo)彈藥一般沒有導(dǎo)引頭，為了實(shí)現(xiàn)針對(duì)固定目標(biāo)的精確導(dǎo)引，本方案中采用了基于慣性/衛(wèi)星信息的數(shù)字制導(dǎo)技術(shù)。制導(dǎo)炸彈在飛行過程中，根據(jù)MEMS慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)時(shí)輸出的位置、速度、姿態(tài)等導(dǎo)航信息以及目標(biāo)位置信息實(shí)時(shí)生成虛擬的炸彈精確制導(dǎo)信息。彈目視線坐標(biāo)系中俯仰、偏航平面的導(dǎo)引信號(hào)計(jì)算公式如式（1）、式（2）所示。

其中：ays、azs分別為視線坐標(biāo)系統(tǒng)下縱向通道、偏航通道制導(dǎo)指令；K1、K2分別為縱向通道、偏航通道導(dǎo)引比例系數(shù)；V1、V2、V3分別為視線坐標(biāo)系下前向、法向、側(cè)向速度，R為彈目距離。

4.2 制導(dǎo)律設(shè)計(jì)

低成本制導(dǎo)控制系統(tǒng)中MEMS導(dǎo)航系統(tǒng)提供的位置、姿態(tài)、速度、角速度、加速度信息均用于制導(dǎo)控制律解算，其精度差、高噪聲的特性可能導(dǎo)致制導(dǎo)控制精度較低［5］。

針對(duì)該問題，俯仰通道采用帶彈道末端落角約束的增強(qiáng)型比例導(dǎo)引，即將俯仰通道彈道規(guī)劃為前端平緩、末端大落角攻擊，以減小高度測(cè)量誤差對(duì)命中精度的影響［6］。俯仰通道彈道特性如圖4所示，導(dǎo)引指令如式（3）所示，其中為彈道末端落角指令，θf為彈體姿態(tài)角。

偏航通道采用帶側(cè)偏修正的增強(qiáng)型比例導(dǎo)引，以減少航向測(cè)量誤差對(duì)制導(dǎo)控制精度的影響。偏航通道導(dǎo)引指令如式（4）所示，其中RZ為彈道側(cè)向偏差。

仿真表明：在當(dāng)前MEMS慣性/BD2組合導(dǎo)航系統(tǒng)水平位置誤差 10 m（1σ）、高程誤差 15 m（1σ）、航向角誤差2°/1 min（1σ）的誤差條件，采用該MEMS慣性/衛(wèi)星數(shù)字制導(dǎo)技術(shù)，制導(dǎo)彈藥命中精度能夠達(dá)到11 m（1σ），可滿足目前絕大部分精確制導(dǎo)彈藥使用要求。另外，該制導(dǎo)技術(shù)節(jié)省了末端導(dǎo)引設(shè)備，大幅降低制導(dǎo)炸彈成本，而且使得制導(dǎo)炸彈具有晝夜作戰(zhàn)、發(fā)射后不管等優(yōu)點(diǎn)。

5 結(jié)論

綜合采用了GNC一體化設(shè)計(jì)技術(shù)，基于ARM處理器的高度一體化制導(dǎo)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)，慣性/衛(wèi)星數(shù)字制導(dǎo)技術(shù)，該低成本制導(dǎo)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案可有效減少制導(dǎo)控制系統(tǒng)冗余硬件及軟件規(guī)模，其硬件成本可較普通分立制導(dǎo)控制系統(tǒng)減少約40%，軟件代碼規(guī)模可減少約30%。另外，該設(shè)計(jì)方案滿足彈載制導(dǎo)控制系統(tǒng)小型化、低成本、集成度高的發(fā)展趨勢(shì)，且具有較高的制導(dǎo)控制精度。根據(jù)本文設(shè)計(jì)的低成本制導(dǎo)控制系統(tǒng)已應(yīng)用在某型精確制導(dǎo)彈藥，并經(jīng)過多次飛行試驗(yàn)驗(yàn)證。

［1］楊軍.現(xiàn)代導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2005.

［2］王婷.駕束制導(dǎo)導(dǎo)彈一體化制導(dǎo)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，7（2）：173-176.

［3］張偉.彈載中制導(dǎo)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方法研究［J］.航空計(jì)算技術(shù)，2009，39（1）：123-127.

［4］左清清.低成本火箭彈彈載計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用，2015，17（1）：57-59.

［5］楊永亮.低成本制導(dǎo)火箭彈飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真［J］.測(cè)控技術(shù)，2014，3（3）：90-93.

［6］過崇偉.有翼導(dǎo)彈系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

Design of Low Cost Guidance and Control System For Precision Guided Munitions

CHEN Fa-yang，XUE Hu
（Xi’an Flight Automatic Control Researching Institute，Xi’an 710065，China）

Aiming at the urgent demand of the low cost of the precision guidance and control system for the guidance ammunition，a design method of low cost guidance and control system of missiles is put forward.Firstly，a guidance and control system architecture with low cost is established，then GNC integrated design has made from function，hardware and software and so on.On this basis a design of inte1guidance computer based on ARM is put forward.Finally，aiming at the characters of MEMS，a digital guidance scheme of satellite and inertia has designed。This design can effectively reduce the redundant hardware，reduce the cost of system，achieve high precision，and meet the need of the future precision guided weapons of low cost.

low cost，GNC integrated，ARM，digital guidance

TJ765.2

A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.11.38

1002-0640（2017）11-0178-03

2016-09-21

2016-10-29

陳法揚(yáng)（1984- ），男，江蘇人，碩士，工程師。研究方向：導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。