1、I学校代码 10699分 类 号 V249密 级学 号 2009200190题目 侦查打击一体化无人机综合火/飞系统建模与仿真学 科 、专 业 飞行器设计指 导 教 师申请学位日期AbstractIIDissertation Submitted for the Degree of Master of ScienceModeling and Simulation of Integrated Fire Flight Control System forReconnaissance/Attack UAVByWANG ChenUnder the Supervision of ProfessorZHOU
2、 ZhouSchool of Aeronautics Northwestern Polytechnical UniversityFeburary, 2012摘要I摘要以“发现即摧毁”为理念的侦察打击一体化无人机已经成为现代战争中重要的一种武器，而其综合火力/飞行控制系统的性能直接决定其能否精准、有效地完成侦察打击任务。本文针对某高空长航时侦察打击一体化无人机平台进行综合火力/飞行系统的设计和仿真，主要工作如下：(1)分析高空长航时侦察打击一体化无人机的任务以及性能特点，对其武器性能的适配性进行研究，选取了空地攻击型的轻小型滑翔弹为本型无人机攻击武器。(2)介绍综合火力/飞行控制系统的工作原理，
3、并且对于其配置结构进行研究，选取自下而上的火力/飞行控制系统设计方案进行设计。(3)研究无人机数据链时延产生的机理，经过对时延模型合理简化，采用Markov 链对无人机数据链时延进行建模。并在此基础上研究数据链时延对于飞行控制系统的影响。(4)对于无人机的航迹回路控制系统采用经典 PID 设计方法对横航向以及纵向进行控制律设计，并根据本型无人机的任务特点采用 A*算法对无人机的航迹进行优化和仿真。(5)对于时延影响较大的姿态回路控制系统依据最优控制理论对基于 Markov链的时延模型进行补偿，提高无人机姿态响应的精准性与快速性。(6)对于轻小型滑翔弹进行六自由度建模以及导引律设计和弹道仿真，研
4、究滑翔弹的攻击过程。根据火控系统对于快速性的要求，采用三自由度简化模型进行了攻击可达域解算，研究了不同攻击高度下的可达域。(7)介绍火力/飞行耦合器原理，基于所建立的数学模型，进行了综合火力/飞行控制系统进行仿真。AbstractIIABSTRACTThe Reconnaissance and Strike Integrated UAV (RSIUAV) which hold the mission of find and destroy the target instantly have been playing an important role in modern warfare. Th
5、e performance of its Integrated Fire Flight control system (IFFC) determines whether the RSIUAV can complete the mission efficiently and accurately. This passage is about the design and simulation of IFFC, mainly work and innovation is as follow,(1)Analyzing the characteristic of the mission and per
6、formance of RSIUAV, researching the different weapon system of RSIUAV and choosing light and small glide bomb as its weapon(2)Introducing the basic knowledge of IFFC system, after researching the configuration of IFFC system choosing a way of “down top” to complete the design(3)Researching the cause
7、s of datalink data, after reasonable simplification applying Markov chain theory to model it and based on the former work the influence of datalink delay of flight control system is introduced.(4)Applying PID method to design the longitude and lateral control system. According to the mission of UAV,
8、 A* method of optimal trajectory of UAV is introduced.(5)Applying optimal control theory to compensate the delay of datalink in the attitude control situation in order to enhance the performance in the situation of attitude control(6)Modeling the 6 DOF model of glide bomb and designing the guidance
9、law, researching the trajectory of attacking by simulation and introducing the method of calculating the attack area with 3 DOF according to the rapid requirement of computer.(7)Introducing the IFFC coupler basic knowledge, applying genetic algorithm to optimize the parameter of IFFC coupler and ver
10、ify the performance of IFFC system.目录III目录摘要 IABSTRACTII目录 III第一章 绪论 11.1 侦察打击一体化无人机研究背景及意义 11.2 侦察打击一体化无人机任务过程 21.3 综合火力飞行系统发展趋势 31.4 本文研究重点 4第二章 武器系统研究与综合火力/飞 行控制系统 62.1 本文载机平台介绍 62.2 作战任务分析 62.3 高空长航时察打无人机携带武器研究 72.4 航空火控瞄准原理 92.5 综合火力/飞行控制原理 112.6 综合火/飞控制系统的结构配置 122.7 本章小结 14第三章 相关数学模型的建立 153.1
11、无人机数学模型的建立 153.2 目标运动模型的建立 183.3 本章小结 18第四章 数据链时延建模方法与时延影响 204.1 数据链时延的产生原因 204.2 数据链时延模型分类 214.3 无人机数据传输机理 214.3.1 无人机数据流向 214.3.2 数据链节点驱动方式 224.4 Markov 理论以及数据链时延模型 244.5 数据链时延对飞行控制系统的影响分析 274.5.1 时延影响的理论分析 274.5.2 时延影响的仿真分析 294.6 本章小结 31第五章 航迹控制系统设计与航迹优化 325.1 航迹控制系统设计 325.1.1 高度保持与控制模态 325.1.2 速
12、度保持与控制模态 345.1.3 航向保持与控制模态 365.2 基于 A*算法的实时航迹规划方案 385.2.1 基于 A*搜索算法的实时航迹规划 385.2.2 仿真验证 415.3 本章小结 42第六章 考虑时延补偿的姿态控制系统设计 436.1 离散最优控制方法简介 43西北工业大学硕士论文IV6.1.1 离散最优控制原理 436.1.2 离散线性二次型最优状态调节器 436.2 无人机姿态回路的时延补偿方法 466.2.1 状态方程离散化 466.2.2 补偿方法研究 476.3 补偿方案仿真验证 486.4 本章小结 50第七章 武器的火力解算研究 517.1 滑翔弹简介 517.
13、2 动力学与运动学模型 517.3 滑翔弹的制导律设计 527.3.1 数值飞行仿真计算及分析 537.4 滑翔弹的可达域解算方法研究 547.4.1 攻击区解算流程图 557.4.2 三自由度简化模型建立 577.4.3 仿真验证 587.5 数据链时延对于攻击决策的影响分析 597.5.1 问题描述 597.5.2 仿真分析 607.6 本章小结 61第八章 火飞耦合器设计以及系统综合仿真 638.1 火飞耦合器 638.2 火飞耦合器的设计方案 638.3 综合火力/飞行控制系统仿真 658.4 本章小结 66第九章 总结与展望 67参考文献 68西北工业大学硕士论文1第一章 绪论1.1
14、 侦察打击一体化无人机研究背景及意义侦察打击一体化无人机最早是由美国人提出，英文为RSIUAV(Reconnaissance Strike Integrated Unmanned Aerial Vehicle)，它是无人侦察技术的拓展，通过加装作战任务系统，使原先主要执行战场侦察与监视、目标截获、火力校正、毁伤评估及电子诱骗与干扰等辅助支援任务的无人机，具有一定的对地、对空作战能力，成为一种全新的武器系统 12。早在海湾战争中，多国部队就使用了 BQM-147A“敢死蜂” ，FQM-151A“短毛猎犬” ， “玛尔特” ， “哨兵” ， “先锋”等型号无人机出动数千架次对伊拉克部队的军事目标分
15、布、防空系统状况、军队和武器装备的调动、战场势态和打击效果等情报信息进行收集和回传，帮助多国部队掌握战场局势。但是，传统的利用无人机侦察，利用战斗机打击的方式有巨大的缺陷，就是美军在发现原来的无人机虽然具有良好的侦察能力，但是在发现目标后要通过地面指挥，让地面指挥者调度战斗机携带武器从地面起飞至攻击地区对目标进行打击，这个过程消耗的时间很容易让稍纵即逝的目标消失无踪。在进入 21 世纪后，随着无人机总体与系统集成技术增强、综合火飞技术的提高、高速率数据链系统等关键技术的提高，以“发现即摧毁”为目标的侦察打击一体化无人机很好的解决了侦察和打击之间消耗时间过长的问题并且开始登上战争舞台。 “捕食者
16、”无人机在 2003 年阿富汗的反恐战斗中成功识别并利用“海尔法”空地导弹摧毁了“基地”组织的 3 号人物，显示了巨大的战场效力 3。侦察打击一体化无人机与有人机相比拥有无法比拟的优点 4：(1)作战效能高，生命力强。相对于有人驾驶飞机，察/ 打一体化无人机不受人为因素的制约，在设计及作战时不用考虑飞行员的生理极限，因而可以最大限度地飞到适合作战需求的速度、高度、航程等。另外在对目标进行识别后，可以对目标进行实时打击，节约了作战时间，进一步提高了作战效能。(2)费用低廉，不惧伤亡。因为不需要安装驾驶舱，无人机的体积更小，结构更加简单紧凑，因此，它的设计制造、战场使用和维护费用也大为降低。而其最
17、大的好处是不存在人员伤亡或被俘的危险，从而可以代替有人驾驶飞机在高风险环境下执行多种任务，如压制敌防空系统、高风险目标探测、对重点目标进行定点清除等。(3)出众的协同作战能力。目前，协同作战一般是飞行员通过目视或语音交西北工业大学硕士论文2流来完成的。而侦察/打击一体化无人机的系统作战可以由地面人员完成，它可以利用出众的辅助决策系统，生成有效的协同策略，从而控制无人机编队充分利用有限的资源，完成复杂的作战任务。(4)可实施有效的侦察情报支援。察/打一体化无人机可以利用其续航长、飞行高度高、不易被敌方发现等特点，对热点地区进行实时、长时间的侦察、监视。1.2 侦察打击一体化无人机任务过程侦察打击
18、一体化无人机执行侦察和对地攻击任务的过程可以分为以下几个典型阶段 5(如图 1-3所示)： / 图1-3 侦察打击一体化无人机任务剖面图阶段一：地面操作员把规划好的航迹上传至无人机平台，无人机自动按规划航迹飞行。经过巡航、地形跟随/回避飞行，无人机到达目标战区。在此阶段，操作员监视无人机的飞行轨迹，根据当前情境修改某些航路点，实现任务重规划，而且操作员可以根据需要切换无人机的自主与手动飞行模式。阶段二：各种机载通讯设备根据操作指令自动完成数据信息的采集及传输，地面控制系统自动接收机载设备或其它通信设施传递的信息；机载侦察设备根据控制指令调整工作状态，自动完成对地面目标的探测与搜索。阶段三：通过
19、数据链，侦察图像以及其它信息传回地面控制系统显示设备，操作员对攻击目标进行识别、威胁判断、攻击排序、火力分配、武器管理等决策。阶段四：无人机根据控制指令选择攻击使用的武器，计算最优机动轨迹完成必要的占位机动。阶段五：无人机自动完成目标跟踪与火控解算，实现武器瞄准，然后根据接收到的攻击授权控制指令完成武器发射；阶段六：如有需要，无人机继续导引发射的武器，直至命中目标；阶段七：完成攻击任务后，无人机进行有效的机动规避，迅速脱离战区，以提高自身生存能力。西北工业大学硕士论文3本文研究重点在于无人机爬升后进入巡航阶段至发现目标后进入战区并且操纵无人机进行武器系统的瞄准以及发射，以提高无人机的作战性能以
20、及生存力为指标，对无人机的综合火力飞行控制系统进行研究，并且着重研究了在时延对于无人机飞行控制系统性能的影响并且进行补偿研究。1.3 综合火力/飞行系统发展趋势随着数字技术、微电子技术和微计算机技术的飞速发展和广泛应用，航空电子技术水平不断提高，机载武器更新换代，对机载火控系统提出了更高的要求。在军方需求和技术推动下，90 年代末及 2000 年后的综合火力飞行控制系统将得到极大的发展，除体现在综合化、模块化外，还主要体现在以下几个方面 6。(1)作战功能主要突出超视距、多目标攻击，控制发射后不管导弹。超视距多目标攻击火控系统和发射后不管导弹配合，能同时跟踪、识别多个目标并分别测定每个目标的参
21、数，完成威胁判断、攻击目标的优先权确定及各种战术数据处理，进行战术决策；产生飞机操纵指令和雷达扫描指令；计算导弹允许发射区、导弹制导指令和显示控制数据；发射前对发射后不管导弹进行参数装定，使多枚导弹分别攻击多个目标；进行杀伤概率评估等。(2)采用多源数据融合技术，充分发挥多种探测手段的优势，提高载机的综合作战效能。为提高作战飞机的抗隐身、抗电磁干扰能力，使对空、对地作战功能一体化，现代机载火控系统正开发利用多种传感器探测目标，以便先敌发现、先敌攻击，取得攻击突然性。以美国为例，正在分阶段开发多传感器综合技术，其项目有：综合射频、光电、电子支援措施传感器；综合前视红外、激光测距器、多频谱光电传感
22、器；综合凝视热像仪、毫米波雷达传感器；综合多色红外、激光、射频、被动毫米波传感器；合成孔径的主、被动射频、视频、红外频谱综合传感器等。(3)采用先进的预警、通讯、指挥、控制系统及空空、空地数据传输系统。现代战争表明，预警指挥系统是现代空战必不可少的装备，而预警指挥飞机是实时指挥战斗机进行空战的机载中心。到 21 世纪，预警指挥机将安装先进的相控阵预警雷达、敌我识别系统、对发射机进行无源探测的电子支援系统、红外探测器和激光雷达等传感器，并利用战术数据链传来的机外传感器的数据进行数据融合，以便更好地探测隐身飞机、直升机、巡航导弹、弹道导弹等目标，实现多机攻击多目标，空空、空地、空海协同作战。它还将
23、装备先进的电子对抗系统和采用人工智能的维修诊断系统提高其生存能力和执行任务的能力。西北工业大学硕士论文4(4)采用更加先进的综合控制/显示系统，提高人机工效和综合作战效能。未来作战飞机的显示系统将采用有源矩阵彩色液晶显示器、有源矩阵电致发光显示器取代阴极射线管，综合控制/显示系统将向着视、听、说、头 /手指向等多通道方向发展。有源矩阵彩色液晶显示器、全息平显、头盔显示器、战术情况显示器、触敏显示屏、语音识别/合成系统、视景增强系统等新技术将在未来作战飞机的显示系统上广泛采用。(5)采用高速大容量计算机、高速光纤总线、电传控制技术，使得机载火控系统综合化达到更高水平。未来机载火控系统将采用速度更
24、高、容量更大、功能更强的微计算机；用光纤数据总线代替目前使用的 1553B 总线，实现真正的实时传输和分布式存取控制；系统的构型也将不同于现今的 1553B 双总线框架，而是采用多级梯次总线构型，传感器综合，信息数据融合，每层次上的总线管理都是双余度和人工智能模块，保证任何一个设备出现故障，系统都可以进行重新组构，平级或降级完成任务，使系统具有一定的人工智能。1.4 本文研究重点根据无人机火力/飞行控制系统的发展现状，在分析了研究意义后，本文主要针对于侦察打击一体化无人机的航迹管理系统，数据链时延模型的建立，无人机姿态控制及时延补偿方法，以及火力控制系统的补偿方法进行了研究。具体如下：第二章介
25、绍综合火力/飞行控制系统的功能及基本原理，提出综合火力 /飞行控制系统的控制系统方案。第三章介绍相关模型的假设以及简化。第四章研究了无人机数据链时延的造成因素以及对察打无人机性能的影响，针对数据链的传输特性，提出一种新型的数据驱动方式，并且采用马尔科夫模型对数据链的时延进行建模，实现数据链时延的较为精确的描述，为之后对性能的改进打下基础。第五章在前一章分析的基础上，对航迹回路的飞行控制系统控制律进行设计。并且针对数据链时延影响较小的航迹回路采用 A*算法进行航迹优化来提升无人机的作战效能。第六章针对时延影响较为明显的姿态回路，在需要对姿态精确控制的情况时，采用最优控制的方法对时延造成的影响进行补偿，基于某型无人机平台，验证马尔科夫时延模型的准确性和补偿方法的有效性。
