離軸控制系統(tǒng)中反饋信號處理算法研究及實(shí)現(xiàn)①

陳偉

摘 要：紅外型空空導(dǎo)彈發(fā)控系統(tǒng)中，導(dǎo)彈反饋的離軸角信號是實(shí)現(xiàn)離軸控制的重要環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對離軸角信號的解調(diào)與轉(zhuǎn)換，建立離軸角電壓信號與離軸角角度信息之間精確的轉(zhuǎn)換關(guān)系，能夠提高導(dǎo)彈離軸隨動精度。本文闡述了離軸角信號的解調(diào)原理，針對離軸角信號的非線性問題提出了分段線性化來進(jìn)行軟件校正的方法，并進(jìn)行了相應(yīng)的軟硬件設(shè)計。

關(guān)鍵詞：發(fā)控系統(tǒng) 離軸控制 反饋 解調(diào) 非線性

中圖分類號：U666.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）03（b）-0100-02

隨著軍事技術(shù)的發(fā)展，機(jī)載武器系統(tǒng)對紅外型空空導(dǎo)彈的離軸隨動性能要求越來越高，這就需要發(fā)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確的離軸驅(qū)動控制功能，導(dǎo)彈的離軸角信號是實(shí)現(xiàn)離軸驅(qū)動閉環(huán)控制的反饋信號，對系統(tǒng)隨動精度影響極大。某武器系統(tǒng)中，導(dǎo)彈的離軸角信號是極坐標(biāo)系下的電壓信號，載機(jī)下達(dá)的隨動方位、俯仰角度是通過總線傳輸?shù)臋C(jī)體坐標(biāo)系為準(zhǔn)的角度信息，發(fā)控系統(tǒng)根據(jù)載機(jī)下達(dá)的角度信息生成離軸驅(qū)動信號，然后和導(dǎo)彈的離軸角信號形成閉環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)彈的離軸隨動控制。實(shí)現(xiàn)極坐標(biāo)系下的導(dǎo)彈離軸角信號與直角坐標(biāo)系下的目標(biāo)方位、俯仰角度的相互轉(zhuǎn)換，有利于提高離軸驅(qū)動信號的生成精度，從而提高武器系統(tǒng)的隨動精度。同時，導(dǎo)彈位標(biāo)器的方位、俯仰信息也需要實(shí)時上傳載機(jī)。本文主要闡述離軸角信號解算與轉(zhuǎn)換的工作原理及實(shí)現(xiàn)過程。

1 離軸角信號解調(diào)原理

某型號導(dǎo)彈中，離軸角信號是導(dǎo)彈的位標(biāo)器電鎖線圈的輸出信號，該信號表征導(dǎo)彈視線在位標(biāo)器坐標(biāo)系中的投影，可以近似表達(dá)為：

（1）

其中：為位標(biāo)器離軸角的極徑；為位標(biāo)器離軸角的相位。

（2）

其中：為角度電壓系數(shù)；、為分別是位標(biāo)器視線的俯仰角和方位角。

由于信號是極坐標(biāo)形式，需要把它轉(zhuǎn)換到機(jī)體直角坐標(biāo)系下，根據(jù)系統(tǒng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及系統(tǒng)信號相位滯后的要求，移動相位度，即可把等效轉(zhuǎn)移到機(jī)體坐標(biāo)系上。

基準(zhǔn)信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

（3）

其中：為位標(biāo)器基準(zhǔn)電壓幅值。

利用基準(zhǔn)信號對進(jìn)行相干解調(diào)，并濾除高頻分量，解得目標(biāo)在機(jī)體坐標(biāo)系下的俯仰、方位角電壓。

（4）

其中：為導(dǎo)彈離軸角電壓有效值；、為載機(jī)坐標(biāo)系下導(dǎo)彈離軸角電壓分量。

2 非線性校正及處理

由公式（2）可知，離軸角電壓理論上與離軸角之間呈正弦函數(shù)關(guān)系，而該系統(tǒng)實(shí)際與之間不是單純的正弦函數(shù)關(guān)系，如圖1所示。因此，既不能把離軸角電壓當(dāng)做離軸角“真值”上傳或用做控制，也不能簡單按正弦函數(shù)關(guān)系反求離軸角。

針對這一事實(shí)，采取措施，對離軸角電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，求出離軸角“真值”，這一過程稱為非線性校正。以往發(fā)控系統(tǒng)多采用硬件處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)非線性校正。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，發(fā)控系統(tǒng)已廣泛采用數(shù)字信號處理器作處理器，利用數(shù)字信號處理器優(yōu)良的數(shù)據(jù)處理性能，用軟件進(jìn)行離軸角電壓的非線性校正，使得離軸角電壓和離軸角之間呈線性關(guān)系。這種方法省去了硬件補(bǔ)償電路，充分利用了計算機(jī)的智能作用，提高了離軸角轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性和精度，而且適當(dāng)改進(jìn)軟件內(nèi)容，可實(shí)現(xiàn)不同的校正方法。校正方法可以采用曲線擬合、分段線性化等方法來實(shí)現(xiàn)。綜合考慮轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速度、發(fā)控系統(tǒng)性能及任務(wù)等因素，本文采用分段線性化的方法來實(shí)現(xiàn)離軸角信號的非線性校正。

采用以下三個線性段來擬合圖1所示的曲線：

（5）

式中：為離軸角電壓有效值；、離軸角電壓線性分段拐點(diǎn)值；、、為各線性段電壓角度轉(zhuǎn)換系數(shù)；、為分段點(diǎn)離軸角對應(yīng)角度值；為計算得到的離軸角角度值。

算法的關(guān)鍵是確定轉(zhuǎn)折點(diǎn)（，）、（，）及各線性段的轉(zhuǎn)換系數(shù)、、，實(shí)現(xiàn)時根據(jù)被控對象的統(tǒng)計數(shù)據(jù)確定上述參數(shù)，使算法在整個曲線范圍內(nèi)擬合誤差滿足系統(tǒng)需要。

經(jīng)非線性校正，得到離軸角計算值，然后根據(jù)離軸角電壓分量、計算歸一化的位標(biāo)器俯仰、方位信息、，表示為：

（6）

其中：

計算機(jī)體系下俯仰角、方位角：

（7）

式中：A、B為機(jī)體坐標(biāo)系下位標(biāo)器俯仰、方位角；在小角度時，、近似等效于A、B。

3 系統(tǒng)設(shè)計

離軸角信號的解算與轉(zhuǎn)換作為發(fā)控系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，主要由發(fā)控系統(tǒng)微處理器、信號調(diào)理電路、絕對值電路、解調(diào)電路等部分。

離軸角信號通過絕對值電路后計算出的有效值；解調(diào)電路內(nèi)首先實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)需要的相移，然后利用兩路基準(zhǔn)信號解調(diào)出離軸角電壓分量、；、、進(jìn)行信號調(diào)理后送微處理器由其AD轉(zhuǎn)換模塊實(shí)時采集。系統(tǒng)的微處理器采用TI公司的SMJ320F240，該芯片具有豐富的軟硬件資源，能夠滿足發(fā)控系統(tǒng)離軸控制的需要，采用16MHz晶振為系統(tǒng)提供時鐘信號。微處理器采集、、后進(jìn)行非線性校正病處理，計算目標(biāo)的方位角、俯仰角。

導(dǎo)彈離軸角信號經(jīng)本系統(tǒng)處理得到的離軸角，非常逼近導(dǎo)彈真實(shí)離軸角，在0～20°離軸范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)換誤差小于5%，滿足隨動控制及數(shù)據(jù)上傳的需要。

4 結(jié)語

本文采用硬件解調(diào)和軟件校正的方法，解決了發(fā)控系統(tǒng)設(shè)計中離軸角信號處理問題，實(shí)現(xiàn)了離軸角信號的精確轉(zhuǎn)換，滿足了系統(tǒng)離軸控制的需要，應(yīng)用效果良好。

參考文獻(xiàn)

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