机载激光武器跟瞄控制系统设计与研究

张 楠,王晨博,冯思桐

(航空工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710065)

0 引言

激光武器是一种定向能武器，和常规的动能武器不同。其攻击过程是将激光束直接发射到目标表面，使目标的关键部分毁伤或使其失效。利用激光武器本身具有的超强能量的高亮度强激光束对敌方导弹、战机、卫星和地面移动目标等进行摧毁和杀伤的新型高能武器。激光武器具有高功率，高能量。激光束迅速指向目标，对其进行照射，几秒内损毁目标。激光武器具备速度高、反应快、打击精度高、杀伤力可控、抗电磁干扰能力强的特征。基于以上优势，激光武器在卫星反导以及对敌方防御系统进行破坏方面得到广泛的应用。激光武器的主要组成包括高能激光器，精密瞄准跟踪系统[1]和光束控制[2,3]与发射系统，其威力巨大，打击效果显著，军方广泛采用。

1 激光武器的基本工作原理

以反导弹防空激光武器[4]系统为例。首先由远程预警雷达对目标进行捕获，将目标的相关数据发送至控制分系统，通过对目标的位置与坐标转换，指引跟踪瞄准分系统对目标进行锁定，引导光束控制发射分系统，让发射器瞄准目标，从而控制分系统发出攻击指令，控制激动器发射光束，光束控制分系统指向目标，进而损毁目标。光通信系统的核心内容包括：捕获、瞄准、跟踪，是空间光通信成败的关键。整个跟踪瞄准系统包括捷联导航子系统/位置检测子系统；捕获子系统；瞄准、跟踪(精跟踪)子系统；提前量伺服系统；跟踪瞄准总控单元；跟踪瞄准电源供电和管理系统单元组成。因此对跟踪瞄准系统[5]的技术要求，总结起要满足两点，一是高效率、快速捕获；二是高精度、高动态跟踪。

2 复合轴跟踪技术

对于高精度跟瞄系统，要解决高跟踪精度、带宽和系统稳定性问题，主要采用主从复合轴控制技术。主伺服回路作为粗跟踪单元，实现粗跟踪瞄准；完成光轴最初的指向、捕获和跟踪，随后引入精跟踪视场。子伺服回路为精跟踪单元，实现精确瞄准。复合轴系统的优点在于，既能快速瞄准又能实现高速跟踪。子系统和主系统既要达到足够的稳定裕度，又要保证带宽有一定的差别，这样才能防止跟踪过程中发生竞争。一般情况下要求子系统[6]的带宽大于主系统。

图1 复合轴伺服控制回路

如图1所示，机架稳定是运动平台系统视轴稳定的第一级稳定方式，主要用以克服大角度低频段的基座角扰动，同时满足对目标大动态范围的跟踪。

3 复合轴粗精跟踪系统设计

复合轴伺服跟踪技术已较为成熟，粗跟踪稳定系统由电机伺服系统构成，精跟踪稳定系统由快速反射镜组成。如图2所示。

图2 粗精跟踪控制回路

粗、精跟踪伺服系统参数设计包括粗跟踪伺服控制系统和精跟踪伺服控制系统[7]的参数设计，主要是完成伺服系统的速度、位置回路调节器的参数设计来满足技术指标的要求。

3.1 粗跟踪伺服系统参数设计

激光粗跟踪系统采用复合轴伺服结构[8]，其中粗跟踪伺服单元为双回路结构，粗跟踪探测单元的跟踪架采用直流力矩电机直接驱动方式，提高谐振频率；设计要求包括：最大跟踪速率、最大跟踪加速度、粗跟踪单元最大跟踪误差、负载力矩、总的转动惯量、电机电枢电阻、电机力矩常数、电机电枢电感、电机反电势常数。

粗跟踪单元的速度回路设计分为以下几个步骤：

粗跟踪伺服控制系统具有方位、俯仰两套独立的跟踪伺服系统，除了方位跟踪系统需要正割补偿以外，两套系统设计一样。首先确定控制对象方位电机传递函数，某方位电机传递函数为：

这里的粗跟踪单元速度调解率为0.14%，所以系统速率环的开环增益为700，于是得到未经校正的速率环开环传递函数为：

速度回路设计：系统的动态性能体现了系统处于过渡过程状态中的性能，是衡量控制系统性能的重要性能指标。开环频域动态性能指标包括剪切频率、相角裕度、或增益裕量等，开环频域指标便于设计。速度回路的主要作用是减小电机时间滞后，提高系统的快速性；通过闭环，降低力矩等扰动误差。

典型的速度伺服回路传递函数为0型系统，理想的开环频率特性曲线如图3示，它由6条直线和3个区域构成。曲线0、1、2构成低频区，它反映系统的稳态性能；曲线3构成中频区，它反映系统的动态性能；曲线4构成高频区，它决定系统的抗噪声能力。

图3 典型的速度伺服回路传递函数开环频率特性曲线

在设计过程中，应尽量提高速度环的伺服带宽，进而获得非常良好的动态伺服特性，为获得高性能的位置跟踪奠定基础，通常应使速度环的伺服带宽大于位置伺服环带宽的3～8倍。可认为位置环的截止频率为40rad/s，这里将速率环截止频率定为320rad/s。

通过设计，经过补偿后的系统开环频率特性为：

由此可见，经过补偿后，开环的截止频率约为320rad/s，对应的相位裕量大于45°，系统稳定。进而得到的速度环的补偿函数为：

速度伺服单元的闭环传递函数为：

粗跟踪单元位置回路设计：位置回路设计的目的是实现伺服系统所要求的一定速度、加速度下的稳态和动态性能指标。影响伺服系统的稳态、动态性能主要因素是传感器采样频率和滞后时间、位置回路系统的带宽、开环增益和无差度型别等。应根据不同的跟踪方式，设计不同的校正控制器。

为了保证动态滞后误差，所需的保精度性能指标为：

ωmax=30°/s.

εmax=10°/s2.

则可求得：

K=20lg|G(1/3j)|≈67 dB .

系统在等效正弦频率处的开环传递函数应具有3 dB的安全裕量，故

Kη=70 dB .

未经补偿的位置回路的开环传递函数为：

位置回路的期望开环传递函数为Ⅰ阶系统。该幅频特性曲线有5条直线组成，如图4所示。

图4 粗跟踪单元位置回路系统期望开环函数幅频特性

位置环的设计方法同速度回路，于是可得系统期望开环传递函数为：

从已经补偿的采样伺服系统连续部分对数幅频特性减去未补偿系统对数幅频特性可获得串联补偿器的对数幅频特性。在保精度角速度30°/s和角加速度10°/s2范围内，设计的位置环补偿器为：

速度滞后补偿传递函数为：

3.2 精跟踪伺服系统参数设计

精跟踪控制单元设计方法和粗跟踪控制单元设计方法相同。

精跟踪系统控制的是主光路中的快速反射镜，具有方位、俯仰两套独立的跟踪伺服系统，两套系统设计一样。首先确定有轴快速反射镜控制对象方位的传递函数，快速反射镜的传递函数为：

为减少主系统引入的高频扰动，应尽量增大系统的增益和带宽。但速度回路的带宽受到系统谐振频率和编码器采样频率的限制。综合考虑设计速度环补偿器：

通过大量实验研究表明，复合轴系统的优势在带宽比超过10:1时，才能较好的发挥，也就是说，主子跟踪回路的带宽比越大，对误差的抑制能力和系统稳定性就越好。合理选择粗、精跟踪回路的带宽比是很必要的。综合各种因素考虑设计精跟踪回路的位置环补偿器为：

4 粗精跟踪系统仿真

根据第3节复合轴控制系统设计，在Matlab/Simulink下，搭建复合轴仿真系统模型，用等效正弦θ(t)=90 sin(1/3*t)作为仿真输入，评价系统的跟踪精度。仿真结果如图5所示。

图5 复合轴控制系统跟踪曲线

由于跟踪效果良好，原信号、粗跟踪信号、精跟踪信号三条曲线几乎重合，系统的跟踪误差控制在20μrad范围内。如图6所示。

图6 复合轴控制系统跟踪局部放大曲线

5 总结

本文介绍了复合轴控制系统的构成和基本原理，对激光武器跟瞄系统进行设计和仿真。复合轴粗精跟瞄系统由速度、位置回路构成，以方位伺服系统为对象，分别设计粗跟踪、精跟踪控制回路，建立回路各个环节数学描述，通过Simulink实现复合轴粗精跟瞄系统仿真结果。系统的跟踪误差控制在20μrad范围内，效果良好。