导弹制导原理导引律和导引弹道专题培训课件.ppt
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1、导弹制导原理导引律和导引弹道导弹制导原理导引律和导引弹道第二章第二章 导引律与导引弹道导引律与导引弹道2 22.1 导引飞行导引飞行导弹的制导系统有三种基本类型:自主控制、自动寻的导弹的制导系统有三种基本类型:自主控制、自动寻的(又称自动瞄准又称自动瞄准)和遥远控制和遥远控制(简称遥控简称遥控)。所谓自寻的制导是由导引头所谓自寻的制导是由导引头(弹上敏感器弹上敏感器)感受目标辐射感受目标辐射或反射的能量,自动形成制导指令,控制导弹飞向目标或反射的能量,自动形成制导指令,控制导弹飞向目标的制导技术。其特点是比较机动灵活,接近目标时精度的制导技术。其特点是比较机动灵活,接近目标时精度较高。但导弹本
2、身装置较复杂,作用距离也较短。较高。但导弹本身装置较复杂,作用距离也较短。所谓遥控制导是指由制导站测量、计算导弹一目标运动所谓遥控制导是指由制导站测量、计算导弹一目标运动参数,形成制导指令,导弹接收指令后,通过弹上控制参数,形成制导指令,导弹接收指令后,通过弹上控制系统的作用控制导弹飞向目标。制导站可设在地面、空系统的作用控制导弹飞向目标。制导站可设在地面、空中或海上,导弹上只安装接收指令和执行指令的装置。中或海上,导弹上只安装接收指令和执行指令的装置。因此,导弹内装置比较简单,作用距离较远。但在制导因此,导弹内装置比较简单,作用距离较远。但在制导过程中,制导站不能撤离,易被敌方攻击,而且制导
3、站过程中,制导站不能撤离,易被敌方攻击,而且制导站离导弹较远时,制导精度下降。离导弹较远时,制导精度下降。3 32.1 导引飞行导引飞行按制导系统的不同,弹道分为方案弹道和导引弹道。按制导系统的不同,弹道分为方案弹道和导引弹道。与自主控制对应的方案弹道本章不作讨论,重点讨论与自主控制对应的方案弹道本章不作讨论,重点讨论导引弹道。导引弹道。导引弹道是根据目标运动特性,以某种导引方法将导导引弹道是根据目标运动特性,以某种导引方法将导弹导向目标的导弹质心运动轨迹。空一空导弹、地一弹导向目标的导弹质心运动轨迹。空一空导弹、地一空导弹、空一地导弹的弹道以及巡航导弹的末段弹道空导弹、空一地导弹的弹道以及巡
4、航导弹的末段弹道都是导引弹道。导引弹道的制导系统有自寻的和遥控都是导引弹道。导引弹道的制导系统有自寻的和遥控两种类型,也有两种兼用的,称为复合制导。两种类型,也有两种兼用的,称为复合制导。4 4一、导引方法的分类一、导引方法的分类 根据导弹和目标的相对运动关系,导引方法可分根据导弹和目标的相对运动关系,导引方法可分为以下几种:为以下几种:(1)按导弹速度向量与目标视线按导弹速度向量与目标视线(又称视线,即导弹一又称视线,即导弹一目标连线目标连线)的相对位置分为追踪法的相对位置分为追踪法(导弹速度向量与视线导弹速度向量与视线重合,即导弹速度方向始终指向目标重合,即导弹速度方向始终指向目标)和常值
5、前置角法和常值前置角法(导弹速度向量超前视线一个常值角度导弹速度向量超前视线一个常值角度)。(2)按目标视线在空间的变化规律分为平行接近法按目标视线在空间的变化规律分为平行接近法(目目标视线在空间平行移动标视线在空间平行移动)和比例导引法和比例导引法(导弹速度矢量的导弹速度矢量的转动角速度与目标视线的转动角速度成比例转动角速度与目标视线的转动角速度成比例)。(3)按导弹纵轴与目标视线的相对位置分为直接法按导弹纵轴与目标视线的相对位置分为直接法(两两者重合者重合)和常值方位角法和常值方位角法(纵轴超前一个常值角度纵轴超前一个常值角度)。(4)按制导站一导弹连线和制导站一目标连线的相对按制导站一导
6、弹连线和制导站一目标连线的相对位置分为三点法位置分为三点法(两连线重合两连线重合)和前置量法和前置量法(又称角度法或又称角度法或矫直法,制导站一导弹连线超前一个角度矫直法,制导站一导弹连线超前一个角度)。5 5二、导引弹道的研究方法二、导引弹道的研究方法导引弹道的特性主要取决于导引方法和目标运导引弹道的特性主要取决于导引方法和目标运 动特性。动特性。对应某种确定的导引方法,导引弹道的研究内容包括需对应某种确定的导引方法,导引弹道的研究内容包括需用过载、导弹飞行速度、飞行时间、射程和脱靶量等,用过载、导弹飞行速度、飞行时间、射程和脱靶量等,这些参数将直接影响命中精度。这些参数将直接影响命中精度。
7、在导弹和制导系统初步设计阶段,为简化起见,通常采在导弹和制导系统初步设计阶段,为简化起见,通常采用运动学分析方法研究导引弹道。导引弹道的运动学分用运动学分析方法研究导引弹道。导引弹道的运动学分析基于以下假设:析基于以下假设:1.1.将导弹、目标和制导站视为质点;将导弹、目标和制导站视为质点;将导弹、目标和制导站视为质点;将导弹、目标和制导站视为质点;2.2.制导系统理想工作;制导系统理想工作;制导系统理想工作;制导系统理想工作;3.3.导弹速度导弹速度导弹速度导弹速度(大小大小大小大小)是已知函数;是已知函数;是已知函数;是已知函数;4.4.目标和制导站的运动规律是已知的;目标和制导站的运动规
8、律是已知的;目标和制导站的运动规律是已知的;目标和制导站的运动规律是已知的;5.5.导弹、目标和制导站始终在同一个平面内运动,该平面称为攻击导弹、目标和制导站始终在同一个平面内运动,该平面称为攻击导弹、目标和制导站始终在同一个平面内运动,该平面称为攻击导弹、目标和制导站始终在同一个平面内运动,该平面称为攻击平面,它可能是水平面、铅垂平面或倾斜平面。平面,它可能是水平面、铅垂平面或倾斜平面。平面,它可能是水平面、铅垂平面或倾斜平面。平面,它可能是水平面、铅垂平面或倾斜平面。6 6三、自寻的制导的相对运动方程三、自寻的制导的相对运动方程 建立相对运动方程时,常采用极坐标建立相对运动方程时,常采用极
9、坐标(r,q)来表示导弹来表示导弹和目标的相对位置,如图和目标的相对位置,如图2.1.1所示。所示。r表示导弹表示导弹(M)与目标与目标(T)之间的相对距离,当导之间的相对距离,当导弹命中目标时,弹命中目标时,r=0。导弹和目标的连线称为目。导弹和目标的连线称为目标瞄准线,简称目标视线或视线。标瞄准线,简称目标视线或视线。q表示目标视线与攻击平面内某一基准线表示目标视线与攻击平面内某一基准线 之之间的夹角,称为目标视线方位角间的夹角,称为目标视线方位角(简称视角简称视角),从,从基准线逆时针转向目标视线为正。基准线逆时针转向目标视线为正。,T T分别表示导弹速度向量、目标速度向量与分别表示导弹
10、速度向量、目标速度向量与基准线之间的夹角,从基准线逆时针转向速度向基准线之间的夹角,从基准线逆时针转向速度向量为正。当攻击平面为铅垂平面时,量为正。当攻击平面为铅垂平面时,就是弹道就是弹道倾角倾角;当攻击平面是水平面时,;当攻击平面是水平面时,就是弹道偏就是弹道偏角角V V。,y y分别表示导弹速度向量、目标速度分别表示导弹速度向量、目标速度向量与目标视线之间的夹角,称为导弹前置角和向量与目标视线之间的夹角,称为导弹前置角和目标前置角。速度矢量逆时针转到目标视线时,目标前置角。速度矢量逆时针转到目标视线时,前置角为正。前置角为正。7 7三、自寻的制导的相对运动方程三、自寻的制导的相对运动方程由
11、由图图2.1.1可可见见,导导弹弹速速度度向向量量V在在 目目 标标 视视 线线 上上 的的 分分 量量 为为Vcos,是是指指向向目目标标的的,它它使使相相对对距距离离r缩缩短短;而而目目标标速速度度向向量量VT,在在目目标标视视线线上上的的分分量量为为VTCOS T,它它 使使 r增增 大大。dr/dt为为导导弹弹到到目目标标的的距距离离变变化化率率。显显然然,相相对对距距离离r的的变变化化率率dr/dt等等于于目目标标速速度度向向量量和和导导弹弹速速度度向向量量在在目目标标视视线线上上分分量量的的代数和代数和即:即:8 8三、自寻的制导的相对运动方程三、自寻的制导的相对运动方程 dr/d
12、t表表示示目目标标视视线线的的旋旋转转角角速速度度。显显然然,导导弹弹速速度度向向量量V在在垂垂直直于于目目标标视视线线方方向向上上的的分分量量为为Vsin,使使目目标标视视线线逆逆时时针针旋旋转转,q角角增增大大;而而目目标标速速度度向向量量VT在在垂垂直直于于目目标标视视线线方方向向上上的的分分量量为为VTsinT T,使使目目标标顺顺时时针针旋旋转转,角角减减小小。由由理理论论力力学学知知识识可可知知,目目标标视视线线的的旋旋转转角角速速度度dq/dt等等于于导导弹弹速速度度向向量量和和目目标标速速度度向向量量在在垂垂直直于于目目标标视视线线方方向向上上分分量量的的代代数数和和除除以以相
13、相对距离对距离r,即,即 9 9三、自寻的制导的相对运动方程三、自寻的制导的相对运动方程再考虑图再考虑图2.1.1所示的几何关系,可以列出自寻所示的几何关系,可以列出自寻的制导系统的导弹的制导系统的导弹-目标相对运动方程组为目标相对运动方程组为方程组方程组(2-1-1)中包含中包含8个参数个参数:r,q,V,V,VT T,T,T。=0是导引关系式,与是导引关系式,与导引方法有关,它反映出各种不同导引导引方法有关,它反映出各种不同导引弹道的特点。弹道的特点。(2-1-1)1010三、自寻的制导的相对运动方程三、自寻的制导的相对运动方程分析相对运动方程组分析相对运动方程组(2-1-1)可以看出,导
14、弹相对目标可以看出,导弹相对目标的运动特性由以下的运动特性由以下3个因素来决定:个因素来决定:(1)(1)目标的运动特性,如飞行高度、速度及机动性能。目标的运动特性,如飞行高度、速度及机动性能。目标的运动特性,如飞行高度、速度及机动性能。目标的运动特性,如飞行高度、速度及机动性能。(2)(2)导弹飞行速度的变化规律。导弹飞行速度的变化规律。导弹飞行速度的变化规律。导弹飞行速度的变化规律。(3)(3)导弹所采用的导引方法。导弹所采用的导引方法。导弹所采用的导引方法。导弹所采用的导引方法。在导弹研制过程中,不能预先确定目标的运动特性,在导弹研制过程中,不能预先确定目标的运动特性,一般只能根据所要攻
15、击的目标,在其性能范围内选择一般只能根据所要攻击的目标,在其性能范围内选择若干条典型航迹。例如,等速直线飞行或等速盘旋等。若干条典型航迹。例如,等速直线飞行或等速盘旋等。只要典型航迹选得合适导弹的导引特性大致可以估算只要典型航迹选得合适导弹的导引特性大致可以估算出来。这样,在研究导弹的导引特性时,认为目标运出来。这样,在研究导弹的导引特性时,认为目标运动的特性是已知的。动的特性是已知的。1111三、自寻的制导的相对运动方程三、自寻的制导的相对运动方程导弹的飞行速度大小取决于发动机特性、结构参数和气导弹的飞行速度大小取决于发动机特性、结构参数和气动外形,需求解包括动力学方程在内的导弹运动方程组动
16、外形,需求解包括动力学方程在内的导弹运动方程组得到。当需要简便地确定航迹特性,以便选择导引方法得到。当需要简便地确定航迹特性,以便选择导引方法时,一般采用比较简单的运动学方程。可以用近似计算时,一般采用比较简单的运动学方程。可以用近似计算方法,预先求出导弹速度的变化规律。因此,在研究导方法,预先求出导弹速度的变化规律。因此,在研究导弹的相对运动特性时,速度可以作为时间的已知函数。弹的相对运动特性时,速度可以作为时间的已知函数。这样,相对运动方程组中就可以不考虑动力学方程,而这样,相对运动方程组中就可以不考虑动力学方程,而仅需单独求解相对运动方程组仅需单独求解相对运动方程组(2-11)。显然,该
17、方程。显然,该方程组与作用在导弹上的力无关,称为运动学方程组。单独组与作用在导弹上的力无关,称为运动学方程组。单独求解该方程组所得的轨迹,称为运动学弹道。求解该方程组所得的轨迹,称为运动学弹道。1212四、导引弹道的求解四、导引弹道的求解可以采用数值积分法、解析法或图解法求解相对运动方程可以采用数值积分法、解析法或图解法求解相对运动方程组组(2-1-1)。数值积分法的优点是可以获得运动参数随时间变化的函数,数值积分法的优点是可以获得运动参数随时间变化的函数,求得任何飞行情况下的轨迹。它的局限性在于,只能是给求得任何飞行情况下的轨迹。它的局限性在于,只能是给定一组初始条件得到相应的一组特解,而得
18、不到包含任意定一组初始条件得到相应的一组特解,而得不到包含任意待定常数的一般解。高速计算机的出现,使数值解可以得待定常数的一般解。高速计算机的出现,使数值解可以得到较高的计算精度,而且大大提高了计算效率。到较高的计算精度,而且大大提高了计算效率。解析法即用解析式表达的方法。满足一定初始条件的解析解析法即用解析式表达的方法。满足一定初始条件的解析解,只有在特定条件下才能得到,其中最基本的假设是,解,只有在特定条件下才能得到,其中最基本的假设是,导弹和目标在同一平面内运动,目标作等速直线飞行,导导弹和目标在同一平面内运动,目标作等速直线飞行,导弹的速度大小是已知的。这种解法可以提供导引方法的某弹的
19、速度大小是已知的。这种解法可以提供导引方法的某些一般性能。些一般性能。1313四、导引弹道的求解四、导引弹道的求解采用图解法可以得到任意飞行情况下的轨迹,图采用图解法可以得到任意飞行情况下的轨迹,图解法比较简单直观,但是精确度不高。解法比较简单直观,但是精确度不高。作图时,比例尺选得大些,细心些,就能得到较作图时,比例尺选得大些,细心些,就能得到较为满意的结果。图解法也是在目标运动特性和导弹速为满意的结果。图解法也是在目标运动特性和导弹速度大小已知的条件下进行的,它所得到的轨迹是给定度大小已知的条件下进行的,它所得到的轨迹是给定初始条件初始条件(ro,qo)下的运动学弹道。下的运动学弹道。14
20、14四、导引弹道的求解四、导引弹道的求解例如,三点法导引弹道例如,三点法导引弹道(见图见图2.1.2)的作图步骤如下:的作图步骤如下:首先取适当的时间间隔,把各瞬时目首先取适当的时间间隔,把各瞬时目标的位置标的位置0,2,3标注出来。标注出来。然后作目标各瞬时位置与制导站的连然后作目标各瞬时位置与制导站的连线。按三点法的导引关系,制导系统应使线。按三点法的导引关系,制导系统应使导弹时刻处于制导站与目标的连线上。在导弹时刻处于制导站与目标的连线上。在初始时刻,导弹处于初始时刻,导弹处于0点。经过点。经过t时间后,时间后,导导 弹弹 飞飞 经经 的的 距距 离为离为 ,点,点1又必须在线段又必须在
21、线段 上,按照这两上,按照这两个条件确定个条件确定1的位置。类似地确定对应时的位置。类似地确定对应时刻导弹的位置刻导弹的位置2,3,。最后用光滑曲线连接最后用光滑曲线连接0,1,2,3,各点,就得到三点法导各点,就得到三点法导引时的运动学弹道。导弹飞行速度的方向就是沿着轨迹各点的切引时的运动学弹道。导弹飞行速度的方向就是沿着轨迹各点的切线方向。线方向。1515四、导引弹道的求解四、导引弹道的求解图图2.1.2所示的弹道是导弹相对地面坐标系的运动轨迹,称为绝对弹所示的弹道是导弹相对地面坐标系的运动轨迹,称为绝对弹道。而导弹相对于目标的运动轨迹,则称为相对弹道。或者说,相对弹道。而导弹相对于目标的
22、运动轨迹,则称为相对弹道。或者说,相对弹道就是观察者在活动目标上所能看到的导弹运动轨迹。道就是观察者在活动目标上所能看到的导弹运动轨迹。相对弹道也可以用图解法作出。图相对弹道也可以用图解法作出。图2.1.3所所示为目标作等速直线飞行,按追踪法导引时的示为目标作等速直线飞行,按追踪法导引时的相对弹道。相对弹道。作图时,假设目标固定不动,按追踪法的导作图时,假设目标固定不动,按追踪法的导引关系,导弹速度向量引关系,导弹速度向量V应始终指向目标。应始终指向目标。首先求出起始点首先求出起始点(ro,qo)上导弹的相对速度上导弹的相对速度V=Vr-VT,这样可以得到第一秒时导弹相对目标,这样可以得到第一
23、秒时导弹相对目标的位置的位置1。然后,依次确定瞬时导弹相对目标的。然后,依次确定瞬时导弹相对目标的位置位置2,3,。最后,光滑连接。最后,光滑连接O,1,2,3,各点,就得到追踪法导引时的相对弹道。显各点,就得到追踪法导引时的相对弹道。显然,导弹相对速度的方向就是相对弹道的切线然,导弹相对速度的方向就是相对弹道的切线方向。方向。1616四、导引弹道的求解四、导引弹道的求解由图由图2.1.3看出,按追踪看出,按追踪法导引时,导弹的相对速度法导引时,导弹的相对速度总是落后于目标视线,而且总是落后于目标视线,而且总要绕到目标正后方去攻击,总要绕到目标正后方去攻击,因而它的轨迹比较弯曲,要因而它的轨迹
24、比较弯曲,要求导弹具有较高的机动性,求导弹具有较高的机动性,不能实现全向攻击。不能实现全向攻击。17172.2 追踪法导引追踪法导引 所谓追踪法是指导弹在攻击目标的导引过程中,导所谓追踪法是指导弹在攻击目标的导引过程中,导弹的速度矢量始终指向目标的一种导引方法。这种弹的速度矢量始终指向目标的一种导引方法。这种方法要求导弹速度矢量的前置角始终等于零。因此,方法要求导弹速度矢量的前置角始终等于零。因此,追踪法导引关系方程为追踪法导引关系方程为 1818一、弹道方程一、弹道方程追踪法导引时,导弹与目标之间的相对运动由方追踪法导引时,导弹与目标之间的相对运动由方程组程组(2-1-1)可得可得:(2-2
25、-1)1919一、弹道方程一、弹道方程若若V,VT和和T为已知的时为已知的时间函数,则方程组间函数,则方程组(2-2-1)还还包含包含3个未知参数:个未知参数:r,q 和和T。给出初始值。给出初始值ro,qo和和T,用数值积分法可以得到相,用数值积分法可以得到相应的特解。应的特解。为了得到解析解,以便为了得到解析解,以便了解追踪法的一般特性,必了解追踪法的一般特性,必须作以下假定:目标作等速须作以下假定:目标作等速 直线运动,导弹作等速运动。直线运动,导弹作等速运动。2020一、弹道方程一、弹道方程取基准线取基准线 平行于目标的运动轨迹,这时平行于目标的运动轨迹,这时,T=0,q=T(由图由图
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