飛行器制導(dǎo)控制關(guān)鍵技術(shù)之課程拓展

王 偉韓丁丁張 健

1.北京理工大學(xué)宇航學(xué)院 北京 100081 2.西北工業(yè)集團(tuán)有限公司 陜西西安 710043

飛行器制導(dǎo)控制關(guān)鍵技術(shù)之課程拓展

王 偉1韓丁丁1張 健2

1.北京理工大學(xué)宇航學(xué)院 北京 100081 2.西北工業(yè)集團(tuán)有限公司 陜西西安 710043

隨著飛行器制導(dǎo)與控制理論與應(yīng)用的發(fā)展和成熟，進(jìn)行飛行器制導(dǎo)控制關(guān)鍵技術(shù)的課程拓展成為航空宇航類專業(yè)的必要任務(wù)。以激光半主動導(dǎo)引頭為例，提出了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)半實(shí)物仿真、運(yùn)用火箭撬仿真平臺的室外半實(shí)物仿真及結(jié)合激光制導(dǎo)抗干擾技術(shù)的半實(shí)物仿真等課程模式拓展的建議。通過分析可知，采用不同的方法對飛行器制導(dǎo)控制關(guān)鍵技術(shù)的認(rèn)知及應(yīng)用具有深遠(yuǎn)的意義。

制導(dǎo)控制；激光半主動導(dǎo)引頭；半實(shí)物仿真；火箭撬；抗干擾技術(shù)

制導(dǎo)武器之所以區(qū)別于常規(guī)彈藥，在于它的飛行軌跡可以受到制導(dǎo)控制系統(tǒng)的影響，從而精確地?fù)糁心繕?biāo)[1]。由此，制導(dǎo)與控制課程在飛行器設(shè)計、飛行器導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制等專業(yè)的學(xué)習(xí)中占有重要地位，該課程的學(xué)習(xí)可為學(xué)生從事該領(lǐng)域的研究工作打下必要的基礎(chǔ)。

隨著制導(dǎo)控制技術(shù)課程教學(xué)過程的深入，傳統(tǒng)的教學(xué)方法漸漸暴露了其弊端。第一，傳統(tǒng)的教學(xué)方法的教學(xué)過程相對比較抽象和枯燥，較難讓學(xué)生對飛行器制導(dǎo)控制技術(shù)產(chǎn)生濃厚興趣。第二，傳統(tǒng)教學(xué)方法對于學(xué)生動手實(shí)踐能力的要求較低，學(xué)生參與設(shè)計和實(shí)踐的時間以及環(huán)節(jié)較少，難以培養(yǎng)理論和工程應(yīng)用并重的人才。第三，由于制導(dǎo)控制技術(shù)在近年來得到了迅速發(fā)展，而傳統(tǒng)的教學(xué)方法若不緊跟前沿，將無法令學(xué)生及時接觸到前沿的研究方向，學(xué)生所學(xué)的課本上的知識存在一定的滯后性。由于這些弊端的存在，進(jìn)行飛行器制導(dǎo)控制關(guān)鍵技術(shù)課程拓展和改革的嘗試是一項必要任務(wù)。

本文將以激光半主動導(dǎo)引頭為例，提出一些課程拓展的建議，并對新的模式的課程的優(yōu)點(diǎn)、不足以及應(yīng)用前景進(jìn)行討論。

1 傳統(tǒng)課程的教學(xué)方法

激光半主動制導(dǎo)武器具有精度高、成本低、戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用靈活等優(yōu)點(diǎn)，是目前裝備量最大、應(yīng)用范圍最廣的一類精確打擊武器。激光半主動導(dǎo)引頭的相關(guān)知識是飛行器制導(dǎo)控制關(guān)鍵技術(shù)課程的重點(diǎn)之一，其教學(xué)方法的探索也是傳統(tǒng)教學(xué)方法的典型代表。

以激光半主動導(dǎo)引頭的講授過程為例，傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容主要有以下幾方面。

(1)激光半主動制導(dǎo)技術(shù)的簡要介紹。該內(nèi)容主要包括激光半主動制導(dǎo)技術(shù)的現(xiàn)狀、特點(diǎn)、在國內(nèi)外的主要應(yīng)用以及未來發(fā)展趨勢等。

(2)激光半主動導(dǎo)引頭的原理概述?？梢苑殖蓛刹糠诌M(jìn)行教學(xué)：激光半主動制導(dǎo)的原理和導(dǎo)引頭的原理。激光半主動制導(dǎo)的原理以旋轉(zhuǎn)-正交掃描激光波束制導(dǎo)為例，以制導(dǎo)原理、激光器和引導(dǎo)波束的形成、坐標(biāo)檢測、引導(dǎo)指令形成的順序講授。導(dǎo)引頭部分可以把導(dǎo)引頭的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)引頭的工作過程作為課程的重點(diǎn)。

(3)激光半主動導(dǎo)引頭的功能。該部分一般結(jié)合該導(dǎo)引頭原理和實(shí)際的制導(dǎo)武器，詳細(xì)講述激光半主動導(dǎo)引頭的功能。

(4)實(shí)物演示。在這部分課程教學(xué)內(nèi)容中，有條件的學(xué)校可能組織學(xué)生實(shí)地對激光半主動導(dǎo)引頭進(jìn)行參觀，并會有專業(yè)指導(dǎo)進(jìn)行旁解，其他學(xué)校一般會在課堂上放映關(guān)于激光半主動導(dǎo)引頭的科教視頻，以加深學(xué)生的印象。

2 課程拓展的必要性

以上述的傳統(tǒng)教學(xué)過程為例，闡述飛行器制導(dǎo)控制關(guān)鍵技術(shù)的課程拓展的必要性。

(1)由于制導(dǎo)控制技術(shù)的抽象性，傳統(tǒng)的教學(xué)方法很難再現(xiàn)一個完整的制導(dǎo)過程。就以旋轉(zhuǎn)-正交掃描激光波束制導(dǎo)的原理為例，課本的講解一般建立在圖示和步驟解說的基礎(chǔ)上，這已經(jīng)是書本能表達(dá)的最直觀的方法，但依然具有一定的抽象性。尤其是對于從來沒有接觸過實(shí)物的學(xué)生來說較難理解。這顯然沒有達(dá)到最佳的教學(xué)效果。

(2)傳統(tǒng)的飛行器制導(dǎo)控制關(guān)鍵技術(shù)一般都是在課堂中講授，這很難讓學(xué)生將知識與工程問題聯(lián)系起來，只能理解理論，較難將其運(yùn)用到實(shí)踐中是該教學(xué)的一大問題。多數(shù)學(xué)生只能在進(jìn)入工作崗位后重新進(jìn)行深入學(xué)習(xí)和理解。這是傳統(tǒng)教學(xué)方法一直存在的弊端，也是課程拓展和改革進(jìn)行的主要原因之一。

(3)從傳統(tǒng)的課程中，學(xué)生較難及時接觸到非常前沿的科學(xué)。不論課本編寫的多么經(jīng)典，都存在一定的滯后性，而很前沿的知識，只能通過閱讀最新的科學(xué)文獻(xiàn)或參與工程實(shí)驗(yàn)獲取。而本科生又普遍存在獲取前沿知識水平較弱的問題，與時俱進(jìn)是現(xiàn)代社會對人才的要求，當(dāng)傳統(tǒng)的課程不能滿足對學(xué)生教育要求時，就需要對其適當(dāng)?shù)耐卣购透母铩?/p>

為了使課程更加直觀、更聯(lián)系實(shí)際、更具有實(shí)時性，拓展和改革飛行器制導(dǎo)控制關(guān)鍵技術(shù)的課程是必要的。這不僅僅是教學(xué)效果的提升，更是有益于培養(yǎng)理論與實(shí)踐并重的人才。

3 課程拓展的建議與應(yīng)用前景

以激光半主動導(dǎo)引頭的相關(guān)課程為例，針對傳統(tǒng)課程所存在的不足，提出一些課程拓展的方法。

3.1 室內(nèi)半實(shí)物仿真

半實(shí)物仿真，又稱為物理-數(shù)學(xué)仿真，即在回路中(Hardware In Loop)的仿真。半實(shí)物仿真對部分系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，將其轉(zhuǎn)換成可計算的仿真模型，然后將另一部分用實(shí)物(或物理模型)引入仿真回路。對于飛行器來說，半實(shí)物仿真是一種將飛行器制導(dǎo)控制部件引入仿真回路，并為其提供真實(shí)的工作環(huán)境，實(shí)物以外采用數(shù)學(xué)仿真的仿真方法[2]。半實(shí)物仿真優(yōu)點(diǎn)眾多，比如該仿真方法避免了建模困難，采集了豐富的數(shù)據(jù)資源，驗(yàn)證了數(shù)學(xué)仿真結(jié)果，提高了仿真置信度等，是不可缺少的研究方法。

以激光半主動導(dǎo)引系統(tǒng)為例，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，半實(shí)物仿真系統(tǒng)主要由仿真計算機(jī)、控制柜、三軸轉(zhuǎn)臺、兩軸轉(zhuǎn)臺、導(dǎo)引頭、激光模擬器及漫反射幕組成[3]。在半實(shí)物仿真系統(tǒng)中，仿真計算機(jī)是綜合各功能模塊信息的核心，通過控制柜與轉(zhuǎn)臺平臺進(jìn)行信息交互；飛行器制導(dǎo)控制部件所搭載的三軸轉(zhuǎn)臺平臺，負(fù)責(zé)模擬彈體姿態(tài)運(yùn)動；激光模擬器搭載于兩軸轉(zhuǎn)臺上，負(fù)責(zé)控制激光光斑在幕布上的位置；輔助計算機(jī)用于監(jiān)測仿真并記錄數(shù)據(jù)。

圖1 半實(shí)物仿真系統(tǒng)工作框圖

實(shí)驗(yàn)室提供給學(xué)生一個仿真的平臺，令學(xué)生可以建立部分實(shí)際的模型，進(jìn)行動態(tài)實(shí)驗(yàn)研究，并與課本所學(xué)進(jìn)行對比，不僅是一種直觀的教學(xué)方法，更可以讓學(xué)生在學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)的過程中，自己發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，提高科學(xué)研究能力。

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的半實(shí)物仿真是最容易實(shí)現(xiàn)的課程拓展計劃。大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)室都具備進(jìn)行半實(shí)物仿真的能力，并且實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的半實(shí)物仿真操作方便，數(shù)據(jù)記錄清晰，可以在短時間內(nèi)多次反復(fù)進(jìn)行。該模式的不足在于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境與實(shí)際環(huán)境依然有很大的差別，一方面，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行半實(shí)物仿真仍存在一定的抽象性；另一方面，僅僅在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行的半實(shí)物仿真本身存在一定的不可靠性。但是，該模式依然是近期最容易大范圍進(jìn)行的課程拓展模式。

3.2 室內(nèi)外半實(shí)物仿真結(jié)合—火箭撬平臺的課程應(yīng)用

在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行數(shù)字仿真和半實(shí)物仿真，然后根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行實(shí)彈打靶實(shí)驗(yàn)，從某些程度上講，這個研究方法還可以進(jìn)一步提高，所以火箭撬平臺試驗(yàn)是一種提高的實(shí)驗(yàn)方法[4]。

火箭撬試驗(yàn)是高超聲速飛行器型號研制過程中的一種重要的地面試驗(yàn)手段，是介于試驗(yàn)室試驗(yàn)與飛行試驗(yàn)之間的一種試驗(yàn)系統(tǒng)，其最大的特點(diǎn)是能模擬試驗(yàn)件所需的速度和加速度。利用這一試驗(yàn)方法，不僅能考核高超聲速飛行器整機(jī)、部件的性能，也能考核它們對高速飛行環(huán)境的適應(yīng)性及可靠性。其飛行包絡(luò)基本能涵蓋飛行試驗(yàn)，是1:1試驗(yàn)件所能考核的最有效試驗(yàn)系統(tǒng)，其可在軌無損回收經(jīng)考核過的試驗(yàn)件，供進(jìn)一步試驗(yàn)室分析；是高超聲速武器系統(tǒng)研制過程中不可或缺的地面試驗(yàn)系統(tǒng)，是測量、評估、驗(yàn)證、考核高超聲速發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道設(shè)計合理性，低空高馬赫數(shù)“脈沖”起動和“自起動”能力，防燒蝕設(shè)計及發(fā)動機(jī)綜合性能等關(guān)鍵性地面試驗(yàn)系統(tǒng)[5]。

由于火箭撬平臺可以銜接實(shí)驗(yàn)室半實(shí)物仿真和實(shí)彈打靶，所以是更接近實(shí)際的實(shí)驗(yàn)平臺。學(xué)生通過進(jìn)行火箭撬實(shí)驗(yàn)復(fù)現(xiàn)實(shí)彈飛行，對課程的理解深度是傳統(tǒng)課程甚至是一般的半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)都不能比擬的。

火箭撬是目前國內(nèi)外非常直觀的半實(shí)物仿真相結(jié)合的平臺之一，由于其特殊性，很難在短時間內(nèi)進(jìn)行火箭撬半實(shí)物仿真模式的課程拓展，該模式可以在未來的課程中適當(dāng)引入，不失為一種很好的教學(xué)模式。

圖2 高超聲速飛行器的火箭撬試驗(yàn)

3.3 半實(shí)物仿真與抗干擾技術(shù)的結(jié)合

從傳統(tǒng)課程的教授經(jīng)驗(yàn)來看，激光制導(dǎo)技術(shù)的課程教學(xué)不會重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)激光抗干擾技術(shù)。由于課程中的激光制導(dǎo)都是在理想環(huán)境中(忽略系統(tǒng)內(nèi)部噪聲和外界干擾)進(jìn)行，而實(shí)際戰(zhàn)場作戰(zhàn)時，導(dǎo)彈在進(jìn)行制導(dǎo)的過程中要應(yīng)對敵軍的各種干擾，通過研究國外、國內(nèi)激光半主動制導(dǎo)干擾技術(shù)及干擾裝備情況，我們發(fā)現(xiàn)目前對激光半主動制導(dǎo)導(dǎo)引頭主動干擾的方式主要有激光角度干擾和高重頻率激光壓制干擾兩類，相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證情況表明，采用激光誘偏系統(tǒng)對激光半主動導(dǎo)引頭實(shí)施角度欺騙干擾可以獲得比較好的干擾效果，而激光壓制干擾由于一些關(guān)鍵技術(shù)尚待突破，對激光半主動制導(dǎo)導(dǎo)引頭的干擾效果并不理想。因此本項目中激光干擾環(huán)境擬確定為激光角度欺騙干擾，采用激光誘偏干擾模擬器產(chǎn)生激光干擾信號。不進(jìn)行抗干擾技術(shù)的學(xué)習(xí)，學(xué)生很難理解抗干擾技術(shù)的重要性。這樣培養(yǎng)的人才不能完全滿足工程任務(wù)的需求。

目前主要的激光干擾分為有源干擾和無源干擾兩種。激光有源干擾主要包括同步轉(zhuǎn)發(fā)式干擾、應(yīng)答式干擾、高重頻干擾等，無源干擾主要是煙幕和懸浮粒子干擾。文獻(xiàn)[6]指出，以目前的技術(shù)，對于無源干擾沒有有效的對抗方式。對于有源干擾，同步轉(zhuǎn)發(fā)式干擾在理論上不能干擾激光制導(dǎo)的過程(如圖3a所示)，應(yīng)答式干擾在理論上是無法有效對抗的(如圖3b所示)，而目前最主要的研究都集中在抗高重頻干擾技術(shù)上(如圖3c，3b所示)。各圖中，(a)波門開啟時間(b)制導(dǎo)信號(c)干擾信號(d)波門選通信號。目前激光武器的抗干擾技術(shù)主要有選通波門和預(yù)置編碼兩種，一般情況會同時將兩種抗干擾技術(shù)同時使用?？傮w上來說，激光抗干擾技術(shù)還有待研究和加強(qiáng)，針對目前的情況，應(yīng)從以下幾方面改進(jìn)：(1)研究改進(jìn)目標(biāo)搜索算法，以避免漏掉目標(biāo)或被假目標(biāo)欺騙；(2)研究改進(jìn)導(dǎo)引頭的電路系統(tǒng), 以縮短波門開啟時間；(3)研究采用復(fù)合制導(dǎo)方式。

圖3

由于抗干擾技術(shù)的重要性以及前沿性，把其立為課程重點(diǎn)的任務(wù)迫在眉睫?？垢蓴_技術(shù)的教授可以通過多種模式進(jìn)行。例如，在課本中移入最基本、最常用的抗干擾技術(shù)并系統(tǒng)講授；定期令學(xué)生閱讀中外最新的關(guān)于抗干擾技術(shù)的文獻(xiàn)；在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行干擾與抗干擾的半實(shí)物仿真；有條件的實(shí)驗(yàn)室可以組織學(xué)生到大型實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行更直觀的抗干擾半物理仿真甚至是實(shí)彈打靶試驗(yàn)。各個模式的可操作性不同，可以循序漸進(jìn)，逐步拓展。

4 結(jié)束語

本文以激光半主動導(dǎo)引頭的課程為例，通過對傳統(tǒng)課程不足與課程拓展必要性的分析，提出了一些課程拓展和改革的建議，并對各個建議的前景進(jìn)行了簡單的分析。通過課程教學(xué)與實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合的教學(xué)模式的探索，能提升學(xué)校培養(yǎng)人才的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

[1]導(dǎo)彈制導(dǎo)與控制系統(tǒng)原理[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2003.

[2]范世鵬,林德福,路宇龍.激光制導(dǎo)武器半實(shí)物仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].紅外與激光工程,2014(2):394-397.

[3]王江,林蔚,王鵬.激光半主動制導(dǎo)武器半實(shí)物仿真系統(tǒng)能量鏈研究[J].紅外與激光工程,2011(7):1230-1233.

[4]張金生,王仕成,張國良.基于火箭撬的激光制導(dǎo)武器飛行仿真系統(tǒng)[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報,2004,24(4):444-446.

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Curriculum Expansion Of The Aircraft Guidance And Control Key Technologies

Wang Wei1, Han Dingding1, Zhang Jian2
1. School of Aerospace Science, Beijing Institute of Technology, Beijing, 100081, China 2. Northwest Industries Group Co.LTD, Xi'an, 710043, China

With the development and maturity of the aircraft guidance and control theory and application, conducting the courses expansion of the aircraft guidance and control of key technologies is becoming a necessary task of the related professional college. In this paper, for the example of the semi-active laser seeker, proposing some curriculum expansion modes including the HIL simulation under the laboratory environment the HIL simulation indoor and outdoor with application of the Rocket Sled Simulation Platform and the HIL simulation combing with the laser-guided anti-jamming technology. Through analysis, we can know that it is signifcant to the cognition and application of the key technologies of the aircraft guidance and control by employing different technical means.

guidance and control; semi-active laser seeker; HIL simulation; rocket Sled; Anti-jamming technology

2016-12-19

王偉，碩士，實(shí)驗(yàn)師。

支持項目：北京理工大學(xué)教改項目。