飞行器制导与控制及其Matlab仿真

将对飞行器制导与控制分几次进行一个较为全面的讲解，从基本概念出发到控制系统、制导系统有关理论和仿真，包括极点配置控制系统、LQR控制的设计以及仿真。

1.飞行器制导系统概述

制导系统从功能上分为导引系统和控制系统。控制系统主要是解决飞行器飞行的稳定性，而导引系统主要是解决飞行器对目标的命中精度问题。

飞行器导引系统俗称导引头，必须具备的功能如下：

1) 飞行器在飞向目标过程中，要不断测量飞行器的实际运动和理想运动之间的偏差；

2) 据此偏差的大小和方向并且按照一定的导引律形成控制指令

3) 将控制指令传回个控制系统，控制改变运动状态，消除偏差

4) 另一路控制导引头实现对目标的稳定跟踪。

图1.飞行器控制系统基本组成

导引系统用来测定或探测飞行器相对目标或发射点的位置，按要求的弹道形成导引指令，并把导引指令送给控制系统。导引系统通常由飞行器、目标位警和运动敏感器(或观测器)及导引指令形成装置等组成。
制导系统的导引信号是靠利用某种形式的能量对目标与环境敏感的敬感元件来获得的。目前应用的主要能量有:可见光、红外、微波(厘米波和分米波)、毫米波、激光和声波等。控制系统直接操纵飞行器，迅速而准确地执行引导系统发出的引导指令,控制飞行器飞向目标。控制系统的另一项重要任务是保证飞行器在每一飞行段稳定地飞行，所以也常称为稳定回路。稳定回路系统是制导系统的重要环节，它的性质直接影响制导系统的制导准确度，弹上控制系统应既能保证飞行器飞行的稳定性，又能保证飞行器的机动性，即对飞行器有控制和稳定的作用。
制导系统的工作过程如下:飞行器发射后，目标、飞行器敏感器不断测量飞行器相对要求弹道的偏差，并将此偏差送给导引指令形成装置。导引指令形成装置将该偏差信号加以变换和计算，形成导引指令，该指令要求飞行器改变航向或速度。导引指令信号送往控制系统，经变换、放大,通过作动装置驱动操纵面偏转，改变飞行器的飞行方向，使飞行器回到要求的弹道上来;当飞行器受到干扰.姿态角发生改变时，飞行器姿态敏感元件检测出姿态偏差，并以电信号的形式送入计算机，从而操纵飞行器恢复到原来的姿态保证飞行器稳定地沿要求的弹道飞行。操纵面位置敏感元件能感受操纵面位置，并以电信号的形式送入计算机。计算机接收导引信号、飞行器姿态运动信号和操纵面位置信号,经过比较和计算，形成控制信号,以驱动作动装置。

1.1 制导系统的分类
制导系统通常是按照导引系统的特点来分类的，即按照产生导引信号的来源来分类。通常分为4大类:自主式制导系统、遥控式制导系统自动寻的式制导系统和复合制导系统。简单说明一下。

1) 自主式制导系统：就是说飞行器起飞后的导引信号不依赖于目标和制导站，仅仅是由自身的测量仪器决定飞行轨迹，无需接受外界信息。但全程自主式制导仅适用于地地飞行器攻击地面国定目标。常见的自主式制导有惯性制导、捷联惯性制导、图像匹配制导、导航型全球定位GPS制导和多普勒导航等。

特点：隐蔽性好、不易受到干扰、飞行器的射程远、制导精度较高。但是一旦发射就不能改变预定目标，只能用来攻击固定目标或飞向固定区域。单用自主式制导系统的飞行器不能攻击活体目标，一般用做攻击活动目标的初制导。可用于弹道导弹、巡航导弹和某些战术导弹的初始飞行段。

2) 自动寻的制导系统：依靠弹上设备直接感受目标反射的能量来测量目标和飞行器的相对位置并形成导引信号，控制飞行器飞向目标。

自动寻的制导可使飞行器攻击高速目标,制导精度较高,而且飞行器与指挥站间没有直接联系，能发射后不管,但由于它靠来自目标的能量来检测飞行器的飞行偏差,因此,作用距离有限,且易受外界的干扰。

根据飞行器所利用能量的能源所在位置不同,弹上安装的导引系统可分为主动寻的制导、半主动寻的制导和被动寻的制导三种类型。

主动式自动寻的系统
主动式自动寻的系统是依靠弹上的制导设备向空间辐射能量，遇到目标反射回来,又被弹上所接收,利用接收的目标回波能量获取目标信息,再形成导引信号,控制飞行器导向目标。主动式自动寻的制导系统常用的是主动雷达自动寻的系统。它主要由角度自动跟踪系统组成。角度自动跟踪系统用来搜索、捕捉目标，在捕捉到目标后自动测出目标对天线的角误差信号，并按一定的导引规律形成导引信号。导引信号一路控制天线消除这个误差，另一路经自动驾驶仪控制飞行器完成目标在距离上的自动搜索，自动选择和自动跟踪，以消除多目标干扰，提高电子对抗能力。主动式自动寻的制导系统的突出优点是飞行器可发射后不管，便于制导站机动;但其缺点是弹上设备复杂，易受干扰,而且受功率限制作用离近。由于单脉冲雷达自动寻的制导系统测角精度较高、抗角欺骗干扰能力强目前反舰导弹采用的较多随者科学技术的发展和其在战术运用上的突出优点，防空导弹也将会采用。

半主动式自动寻的制导系统
        半自动式自动寻的制导系统是由制导站向空间辐射能量，弹上制导设备接收经目标反射的能量，以此获取目标信息，然后形成导引信号，控制飞行器导向目标。由于其照射源在制导站，其照射功率可以较大，制导距离远。弹上导引头没有发射设备，其结构简单，轻便。其最大缺点是易受干扰和制导站机动受限。目前广泛应用于地(舰)空导弹。照射目标的能源不在飞行器上，弹上只有接收装置，能量发生装置设在飞行器以外的制导站或其他位置。因此它的功率可以很大，半主动式寻的制导系统的作用距离比主动式要大。
        被动式自动寻的制导系统
        被动式自动寻的系统，飞行器本身不辐射能量，也不需要别的照射源把能量照射到目标上去，飞行器上的接收装置接收由目标辐射出的红外线或无线电波获取目标信息，以此形成导引指令,控制飞行器导向目标。
        这种制导系统必须建立在目标有某种能量辐射，并且达到一定功率的基础上，因而对目标的依赖性太大，易受目标欺骗。电视、红外系统受环境条件制约严重，它们本身又不具备测距能力，所以必须与雷达、激光制导配合使用。但其本身隐蔽性好，还可发射后不管。弹上设备简单、质量小，所以在攻击各种活动目标的飞行器上均有应用。目前常用的有被动雷达、电视和红外几种方式。

采用雷达被动式自动寻的系统的飞行器,弹上接收设备接收目标发时的雷达波，完成对目标的角度自动跟踪和距离自动跟踪，也称反辐射导单。它设有记忆功能，当飞行器已对目标实施跟踪后，即使目标停止发射，飞行器也能依靠记忆功能跟踪目标。

NOTE：三方式不同即照射源的发射方不同。

3) 遥控制导系统：由飞行器以外的指挥站向飞行器发出导引信息的制导系统,称为遥控制导系统。这里所说的导引信息，可能是导引指令或飞行器的位置信息。遥控制导系统含地面制导站和弹上制导设备两部分。地面制导站含目标、飞行器观测跟踪设备、制导中心计算机和指令发射设备等。飞行器上制导设备有指令接收系统和控制系统等。这种制导方法广泛应用于防空导弹中。这种制导系统中,导引信息是由设在飞行器外部的制导站发出的，制导站可以设在地面、舰面或空中。它测量目标和飞行器的相对位置，通过计算机装置形成导引信号,然后发送给飞行器,控制飞行器飞向目标。它的特点是:主要设备在制导站,弹上设备简单;制导站作用距离远,制导精度高;但必须连续对飞行器进行制导,制导站的机动能力受限。它适用于近、中程导弹的制导或作为远程导弹的中继制导。攻击活动目标，多用于舰空导弹。遥控制导分为无线电指令制导和波束制导两类。

4) 复合制导系统：复合制导也叫综合制导或组合制导。以上制导系统各有优、缺点，当要求较高时，根据目标特性和要完成的任务，可把各种制导系统以不同的方式组合起来,以取长补短,进一步提高制导系统的性能。例如，飞行器飞行初段用自主式制导,将其引导到要求的区域;中段用遥控指令制导，以较精确地把飞行器引导到目标附近;末段用自动寻的式制导。这不仅增大了制导系统的作用距离,更重要的是提高了制导精度。当然，还可用自主+自动寻的、遥控+自动寻的等组合制导系统。复合制导多用于远程制导武器，如各类巡航导弹、反舰导弹等，工作波段的复合使用多用于寻的段的制导，由于它具有很强的抗干扰和目标识别能力，目前备受重视。

下一节将会进行一些会用到的Matlab基础知识以及微分数值技术进行说明。

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