1、直升机综合飞行/火力控制技术,于 志自动化科学与电气工程学院 2006/07/20,大纲,综合飞行/火力控制概念的提出,战术任务 精度高、攻击有效 确保生存,火力控制： 提供正确命中和摧毁 敌方目标的有效手段,飞行控制： 有效地跟踪目标的战术 机动，提高自我生存力,驾驶员,“机动无法攻击” “攻击不能机动” 工作负担大 连续作战能力差,人工瞄准 操纵飞机 武器发射和投放,?,综合飞行/火力控制概念的提出,综合飞行/火力控制：IFFCIntegrated Flight/Fire Control,基本思想： 通过飞行/火力耦合器把飞行控制系统和火力控制系统综合起来， 形成一个闭环武器自动攻击、投放
2、的系统。也就是说，通过将飞 机平台和传感器结合在一起，达到控制飞机的航迹和姿态，帮助 驾驶员自动实现瞄准攻击的目的。,综合飞行/火力控制概念的提出,战术任务 精度高、攻击有效 确保生存,火力控制： 提供正确命中和摧毁 敌方目标的有效手段,飞行控制： 有效地跟踪目标的战术 机动，提高自我生存力,驾驶员,IFFC,“机动无法攻击” “攻击不能机动” 工作负担大 连续作战能力差,攻击瞄准自动化 提高武器投放精度 提高生存能力 扩大投放包线,人工瞄准 操纵飞机 武器发射和投放,耦合瞄准 自动调整轨迹和姿态 自动/半自动武器投放,直升机IFFC技术的研究发展,国外 上世纪八十年代，以UH-60“黑鹰”、
3、AH-64“阿帕奇”为样机开展武装直升机IFFC试验性工作，并作了初步的原理验证与效益评估。 上世纪九十年代初，由美国的Sikorsky飞机公司提交了有关武装直升机综合飞行火力控制的问题描述和概念定义的正式文件，并通过军方评审，从而完成了系统定义，初步确定了实现该综合系统的结构方案与技术途径 。 上世纪九十年代，以RAH-66为代表，在武装直升机上正式实现了IFFC技术，开展了综合飞行火力控制的飞行员闭环综合仿真试验 。 国内 国内有武装直升机IFFC技术的局部研究，但缺乏全面深入的研究和具体实现,武装直升机国内外研究进展,直升机IFFC技术概述,在转弯机动中投放空/地炸弹空/地射击攻击（迅猛
4、机动遭遇）空/空射击在固定翼IFFC中没有,在转弯机动中发射导弹 沿精确规定的航线地面投影部署精密武器：智能传感器、地雷、装有引信的武器等空/地组合火箭/旋转式机炮攻击（迅猛机动遭遇）空/地组合火箭/旋转式机炮攻击 导弹发射的空/空瞄准状态以与本机速度矢量的夹角很大的角度发射导弹,固定翼攻击机IFFC功能,武装直升机IFFC功能,直升机IFFC技术概述,发射前机动,发射后机动,耦合瞄准,武器包线管理,反冲补偿,导弹指向IFFC功能模态分析,直升机IFFC技术概述,耦合瞄准：实现了自动机动攻击功能，能极大地减轻驾驶员射击时的工作负担； 发射前/后机动：改善了低速与悬停时火箭弹的发射能力，增强了机
5、动逃逸性能； 武器包线管理：使飞行员驾驶飞机作机动飞行时，能保证转塔机炮和目标获取系统仍指向目标； 反冲补偿：能改善火炮/火箭弹发射时引起的角度暂态响应，提高瞄准精度。,直升机IFFC技术概述,IFFC耦合瞄准极大地提高了固定武器发射的准确性与快速性，火箭与固定机枪类的瞄准误差在IFFC模态下减少50%，在全自动模态减少量达75%。在IFFC模态下，火箭、固定机枪与“毒刺”导弹的占位时间分别减少44%、65%、43%。 耦合瞄准大大减轻了飞行员工作负担，IFFC模态下，投射火箭弹、固定机枪枪弹与“毒刺”导弹时，飞行员工作负担分别减少56%、57%、67%。 IFFC能增加多目标环境下同时攻击威
6、胁个数。,武装直升机IFFC关键技术：IFFC构型及工作原理,IFFC控制构型,工作原理,由机载跟踪雷达给出的目标测量信息，经目标状态估计器提供目标的运动状态信息，由机载自身传感器提供本机信息，经火控解算给出瞄准偏差信号，一方面通过平视显示器传给驾驶员，另一方面，将该信息输送给飞行/火力耦合器，由飞行/火力耦合器产生控制指令送至飞行控制系统，由飞行控制系统产生相应操纵指令，操纵飞机机动，使瞄准偏差趋向于零，从而自动完成对目标的瞄准、攻击和投放。,武装直升机IFFC关键技术：功能分析,功能分析,1. 内回路：飞行控制回路 2. 中回路：空间指向跟踪回路 3. 外回路：战术任务回路,武装直升机IF
7、FC关键技术：功能分析,飞行控制回路多自由度解耦控制功能；姿态响应类型（AC）、速率响应类型（RC）；飞控系统的设计为关键； 空间指向回路多模态飞行/火力协调控制功能；HH、DH、PH、RCDH、RCHH、ACAH、TRC；飞/火协调控制器设计为关键 战术任务回路实现空-空机炮、空-空导弹、空-地机炮、空-地导弹等IFFC模态；火控解算驱动机体运动形式；火控解算、目标状态估计器设计为关键,武装直升机IFFC关键技术：飞行控制系统,IFFC中的作用：,综合飞行/火力控制系统表现为火力控制系统与飞行控制系统相结合，并以飞行控 制系统为纽带实现系统综合的功能。由于武装直升机在进入火力攻击状态时，经
8、常处于控制信号的作用或驾驶员的操纵下，飞行方向不断变化，要求对飞机姿态 的控制具有较高的快速性和准确性，以便有效地实现对目标的跟踪瞄准。飞行控 制系统结构与性能的好坏对综合控制系统的效果有着直接影响。,飞控系统设计要求：,1）增稳； 2）对输入指令良好的响应特性； 3）调整或消除飞机轴间的交叉耦合效应 。,ADS-33,武装直升机IFFC关键技术：飞行控制系统,飞行控制律设计方法：,经典控制系统设计方法： 通常是在直升机整个飞行包线范围内选择几个典型的飞行状态点进行设计，然后 再在整个飞行包线内进行仿真微调控制器参数，控制方法虽然简单，但是却非常 耗时，而且控制器的鲁棒性差，得到的通常是适当胜
9、任的设计而不是最佳设计， 不能保证在以后高性能直升机的设计上是胜任的。特别是，当系统有多个耦合输 入和输出时，用经典控制法来设计其的控制器是非常困难。,现代多变量控制律设计方法： 线性二次调节器设计、多变量模型跟踪方法、H设计法、综合方法、反馈线性化设计、模糊控制设计方法、神经网络设计方法等。,武装直升机IFFC关键技术：飞行控制系统,多变量模型跟踪方法：,结构简单，各模块意义明确 ，便于调整参数；对任务剪裁飞行控制律和重构飞行控制律有吸引力。,武装直升机IFFC关键技术：飞行控制系统,多模态电传飞行控制系统：,先进AH-64电传操纵系统的控制律结构,武装直升机IFFC关键技术：飞行控制系统,
10、多模态电传飞行控制系统：,RAH-66电传操纵系统的控制律结构,武装直升机IFFC关键技术：飞行控制系统,RAH-66电传操纵系统的控制律结构：,基本飞行控制系统（PFCS）,自动飞行控制系统（AFCS）,PFCS包含基本控制率，可靠性高，即使发生故障也能保证最低要求的飞行能力； PFCS的指令形成功能块中对消飞机的固有响应 ； 为避免大机动飞行造成的门限饱和， RAH-66加入了前馈角速率指令模型以及相 应的反馈回路，速率反馈回路仅在PFCS工作时接通 。,AFCS主要用于增强飞机任务能力和操纵品质，AFCS指令通过指令限制环节 与PFCS连接，当AFCS发生故障时，限制环节通过逻辑分析切断
11、其输出，实 现故障隔离； AFCS的指令模型模块用于生成期望的状态响应。,多模态电传飞行控制系统：,武装直升机IFFC关键技术：飞行控制系统,HACT验证机电传操纵系统的控制律结构,HACT的关键概念：,武装直升机IFFC关键技术：飞行控制系统,状态识别：系统基于飞行器和环境测量自动辨识飞行状态和任务策略。它的挑战 在于要在整个飞行包线内、在任何环境条件下，以及实时地动态识别飞行状态。,无忧虑机动：用来描述预测和提示结构及气动限制超出开始的术语，它用某种方式 帮助驾驶员避免出现这些超出现象。适当地操作，无忧虑机动可以使驾驶员能够直 观地利用真实的飞行器飞行包线，而不必因为对包线接近程度的不确定
12、而预留很大 的安全边界。带来的困难和下面的情况有关：开发一个复杂的系统，要其能够预测 多重及可能冲突的超出数的开始，以及能以一种减轻驾驶员负担的方式通知这些信 息给驾驶员。,任务剪裁：用来描述自动模式转换到适当的飞行控制响应类型的术语。当与状态识 别耦合后，任务剪裁将允许飞行器飞行品质能根据操纵状况自动优化，而不必要求 驾驶员人工选择控制律。它的挑战在于增益的转换要以驾驶员可以接受的平滑的方 式进行。,武装直升机IFFC关键技术：火控解算,主要解决各种机载航空武器在投放时如何达到投放条件以及如何控制它们的投放 时机、方向等问题。空对地射击火力控制主要解决攻击机对地面目标投放模型武 器进行攻击时
13、的瞄准建模问题，它依照一定的算法使攻击机上发射的弹丸落到计 算出的命中目标点，从而击中地面目标，完成对地攻击任务。,IFFC中的作用：,火控系统发展过程：,扰动光环瞄准具 指挥仪型瞄准具,常见的火控解算模型：,两者的主要区别是测量视线角速率的方法不同,武装直升机IFFC关键技术：火控解算,火控解算示例：,武装直升机IFFC关键技术：火控解算,建立适用于在武装直升机上用机枪（或火箭弹）攻击坦克等地面目标的火控 系统模型，设计其火控算法，解算结果为弹丸飞行时间 及机体坐标系中的 期望武器轴线指向角 及 。,火力控制原理框图：,相对和绝对坐标系中空对地射击前置跟踪瞄准状态的矢量图 ：,武装直升机IF
14、FC关键技术：火控解算,火控解算过程：,合适的坐标系中建立的瞄准状态矢量图； 列写火控命中方程组； 结合目标与本机的运动参数和本机飞行姿态以及弹丸的弹道规律，解算出期望的武器轴线指向,武装直升机IFFC关键技术：火控解算,火控命中方程组：,经过一个弹丸飞行时间 后，目标的距离矢量为当前距离向量与补偿目标运动 的提前量之和：,同时外弹道轨迹确定的弹丸发射后经时间 飞过的距离矢量为：,若不考虑侧偏量的影响。则上式变为：,要构成正确的瞄准攻击，必须使弹丸飞行时间 后，弹丸与目标在命中点相遇， 即有如下的向量方程成立：,也即是有火控解算基本方程 ：,_,最终解算方程：,火控算法的关键之处：,武装直升机
15、IFFC关键技术：火控解算,建立估算下发弹丸指令校正值的脱靶量递推模型,原因分析：,脱靶量是很复杂的随机过程，其参数随环境、飞机与目标的机动情况等而变化， 绝对准确的模型在实际中是几乎得不到的，也很难用一个数学模型去适应于各 种条件，所以根据此模型得到的校正值只在一定条件下才会是最佳，使得闭环 校正后会存在一定的残差。,应对措施：,1. 采用自校正闭环算法以增强鲁棒性；,2. 应有消除残差的措施，当前采用较多的为灰色残差模型预测方法。,武装直升机IFFC关键技术：目标状态估计器,火控解算除需要一些攻击机的状态参数外，还需要目标的速度、加速度及瞄准线角速度等运动参数； 受现有测量环境与仪器精度的
16、影响，机载测量装置测得的参数常混有较大的误差成分(噪音)，精度不高，不能直接用于火力控制系统的解算，必须经过滤波处理； 有些参数(如目标的加速度)尚无法直接测量,必要性：,目的：,提高测量参数精度；得到不可测参量的估值。,武装直升机IFFC关键技术：目标状态估计器,根据瞄准装置对目标的跟踪，获得在飞机机体轴系中目标的斜距、方位角、 高低角(有时还包括它们的变化率)；利用合适的滤波算法估计出火控解算 所要求的目标运动参数，作为火控解算模块的输入量。,IFFC中的作用：,目标状态估计器的关键技术：,建立较合理的目标机动模型； 选择合适的滤波器，改进滤波手段。,武装直升机IFFC关键技术：目标状态估
17、计器,目标机动模型：建模方法,建模的一般原则： 使模型符合实际，同时又便于数学处理。,建模方法1：不考虑目标机动，常用的有常速（CV）模型和常加速模型（CA）,特点是模型简单，易于数学处理，实时性高，但精度低，在目标机动较大时， 会带来较严重误差。,建模方法2：为机动目标模型，即为提高模型的准确度考虑目标的机动性。,该类模型中，描述机动目标加速度是建模的核心。由于目标机动形式的多样性 和随机性，要建立正确的目标加速度模型是十分困难的，常采用的加速度模型 为一阶与二阶高斯-马尔科夫过程模型、当前统计模型等。,武装直升机IFFC关键技术：目标状态估计器,目标机动模型：跟踪坐标系,直角坐标系：状态的
18、线性外推（目标状态模型）和非线性的状态更新（测量模型）,视线（极）坐标系：非线性的状态外推和线性的状态更新,北天东坐标系：直角坐标系与视线坐标系的折衷,混合坐标系：结合了直角坐标系与视线坐标系二者的一些优点,跟踪坐标系的选择对于滤波器的稳定性、跟踪性能及计算量有较大的影响,武装直升机IFFC关键技术：目标状态估计器,直角坐标系下目标机动模型,目标状态模型,测量模型,武装直升机IFFC关键技术：目标状态估计器,对状态估值最有效也是最常用的方法为卡尔曼滤波技术： 固定参数的卡尔曼滤波算法，常增益卡尔曼滤波算法、自适应卡尔曼滤波算法等 针对大机动目标的情况还出现了一些非线性算法,滤波算法,如何在保证
19、实时性的前提下提高估值精度仍有待进一步的研究,武装直升机IFFC关键技术：目标状态估计器,Extended Kalman 滤波算法（EKF）,武装直升机IFFC关键技术：目标状态估计器,Extended Kalman 滤波算法（EKF）,武装直升机IFFC关键技术：飞/火耦合器,飞/火耦合器为综合飞行火力控制系统的核心，是联系飞行控制系统与火力控 制系统的枢纽，它将原来分离的火力控制系统和飞行控制系统有机地综合到一 起，实现了综合控制的概念。,IFFC中的作用：,工作原理：,主要功能是耦合瞄准，即将火控解算得到的期望机炮轴线指向与直升机的实际机 炮轴线进行比较，利用误差信号生成合适的飞控系统与
20、武器随动系统的控制指令， 从而操纵直升机和武器轴线运动，消除瞄准误差。,武装直升机IFFC关键技术：飞/火耦合器,飞火耦合器的设计应满足飞火基本控制原理：令射击瞬间距离向量 和 命中时所要求的向量 之间的角误差e等于零； 为IFFCS提供合适的系统阻尼，使消除瞄准误差快速而无振荡； 在飞控系统操纵权限内满足火飞操纵要求； 协调飞控与武器随动系统的指令分配； 应限制自动操纵指令和直升机过载，以确保安全； 在飞行包线内，系统具有足够的鲁棒性。,设计要求：,武装直升机IFFC关键技术：飞/火耦合器,设计方法：,经典控制、现代控制、H 控制、专家系统控制、神经网络控制， 以及采用PID结构、数学仿真寻
21、优等方法,方法比较：,考虑到综合飞行火力控制系统的复杂性，应用经典或现代控制理论 方法会有较大困难，且难以保证性能。而仿真寻优方法结构简单明确，易于调整，通过仿真调参能保证性能。,武装直升机IFFC关键技术：飞/火耦合器,设计方法：PID结构、数学仿真寻优,不具备鲁棒性 功能单一 结构形式不统一 不适应全自动攻击作战,火飞耦合器的任务就是根据指令炮线角和本机的现有姿态向量，确定出应施加于飞控系统的指令信号,武装直升机IFFC关键技术：设计、分析关键技术总结,综合系统中子系统之间的功能耦合作用分析 综合控制系统的控制结构以及子系统之间的耦合协调控制结构 满足综合控制系统需求的飞行控制器设计方法
22、满足综合控制系统需求的耦合协调控制器设计方法 综合控制系统的性能评价方法,武装直升机IFFC关键技术：评估技术及指标,评估技术,设计时的性能评估：从IFFC的功能分析入手，明确飞行控制回路、空间指向回路、战术任务回路的物理意义以及性能需求；结合ADS-33规范和各种稳态性能要求提出完整的IFFC性能评价指标；最后根据各回路的物理意义剪裁指标来进行性能评价。仿真（实时/非实时）、试飞时的性能评估：IFFC的性能最终要在现实威胁条件下进行飞行试验证实，但初步结果可以采用仿真方法得到。该方法包括有关飞机、飞行控制、武器和目标/威胁性能的一些关键因素。 为确定各种情况下的系统精度，通常需要进行蒙特卡罗
23、运算。,武装直升机IFFC关键技术：设计评估技术,飞行控制回路的性能评价,性能需求为：使直升机系统解耦，改善系统的回路频率特性和稳定性；以被控量的速率作为设计目标，也即是采用角速率指令响应形式(RC)。,性能指标为：ADS-33的轴间耦合：总距操纵引起的偏航；迅猛机动飞行时俯仰引起滚转及滚转引起俯仰的耦合。ADS-33的带宽和相位延迟指标,武装直升机IFFC关键技术：设计评估技术,空间指向回路的性能评价,性能需求为：是否能迅速把飞机的姿态调整到指定方向，当为定常指向时，稳态误差应为零，对于以匀速变化的指向，允许有一定的稳态误差。,性能指标为：ADS-33的快速性指标 ：从一个稳定姿态过渡到另一
24、稳定姿态所需的姿态角改变应尽可能快的完成 。,武装直升机IFFC关键技术：设计评估技术,战术任务回路的性能评价,性能需求为：快速性直接体现了系统的作战效能；稳定性是系统安全的根本保证；实现对目标的快速、持续瞄准。,性能指标为：快速性：瞄准精度、瞄准过渡时间、振荡次数、瞄准持续时间；稳定性：幅值裕量、相角裕量,武装直升机IFFC关键技术：仿真评估技术,仿真评估模型,武装直升机IFFC关键技术：仿真评估技术,仿真评估流程：,任务场景想定,选定验证IFFC功能：耦合瞄准、发冲补偿、武器包线约束 设定目标、本机初始状态： a）目标运动特性，与本机相对位置等； b）本机运动特性（悬停、低速或巡航等） 选
25、定武器装备：机炮（固定、炮塔）、火箭弹、导弹 作战任务,武装直升机IFFC关键技术：仿真评估技术,仿真评估流程：,对比仿真类型,Baseline（基本模态）： 无耦合增稳功能的任务，飞行员仅仅依靠武器自身与相关的 IFFC提示符完成武器瞄准和保持飞机在约束范围内的任务； IFFC（正常模态）： 提供 IFFC的各项功能，诸如耦合瞄准、发射前/后机动、武 器包线约束、反冲补偿等，但飞行员必须手动投放武器； Full Auto（全自动模态）： 除具有IFFC正常模态的各项功能外，还提供(+、-)90度的姿 态方位投射窗口，并能自动释放固定武器，具有最最后命中 点的耦合瞄准功能。,武装直升机IFFC
26、关键技术：仿真评估技术,仿真评估流程：,仿真数据处理,任务载荷因子（TLX：Task Load Index） 发射机会（EO：Engagement Opportunities） 跟踪目标（#T：targets tracked） 攻击目标（#A：targets attacked）,武装直升机IFFC关键技术：性能评估指标,约束时间（Constraints Time）：目标进入IFFC建立窗口边缘到武器发射约束窗口边缘的时间 发射时间（Settling Time）：目标进入武器约束窗口后到火力发射时的时间 建立时间（Engagement Time）：CT和ST之和。,TLX：Task Load I
27、ndex EO：Engagement Opportunities #T：targets tracked #A：targets attacked,武装直升机IFFC关键技术：性能评估指标,表1 IFFC固定武器射击建立时间（setup shot timelines），单位：秒,武装直升机IFFC关键技术：性能评估指标,表2 固定武器建立射击瞄准误差（setup shot aiming error），单位：度,表3 固定武器建立射击工作负荷， 单位：NASA TLX,武装直升机IFFC关键技术：性能评估指标,表4 固定机枪发射机会（engagement opportunities）,武装直升机IFFC关键技术：火控误差分析,武装直升机IFFC关键技术：电子设备体系结构,武装直升机IFFC关键技术：电子设备体系结构,
