小型无人靶机掠海定高飞行控制系统设计与实现

0 引 言
靶机是无人机家族中的一个重要分支，主要用于模拟作战飞机、导弹等威胁目标，为防空武器系统试验和训练提供逼真的空中靶标。随着技术的进步，现代反舰导弹多采取“超低空掠海”飞行的突防方式，与之相应的用于模拟反舰导弹类目标的无人靶机也需要具有超低空掠海飞行能力。20世纪60年代，以美国为代表的西方发达国家推出了第一代具有超低空掠海定高飞行能力的靶机，之后迅速形成了系列化，并随着新技术的应用不断升级换代，某些经典型号至今仍在广泛使用，如石鸡、火蜂、米拉奇等系列靶机，其掠海飞行的相对高度均达到了5 m以下。国内在这一领域则起步较晚。飞行控制系统是无人机的“大脑”，无人机的超低空掠海飞行主要是在飞控系统高度控制器的控制下实现的。因此，本文针对小型靶机飞控系统的研制，基于无线电高度表／加速度计组合控制的基本原理，采用Kalman滤波信号处理方法和基于ARM7微处理器的嵌入式系统，设计了一种简单实用的高度控制器，能够对靶机飞行高度进行精确控制，从而实现超低空掠海定高飞行的目的。

1 飞控系统配置与高度控制原理
靶机飞控系统由传感器、飞控计算机和执行机构3个部分组成。传感器主要包括垂直陀螺、两轴角速率陀螺、三轴捷联式磁航向传感器、无线电高度表、垂向加速度计、空速管、GPS接收机、发动机温度和转速传感器等；飞控计算机是飞控系统的核心部件，是一台基于ARM7的嵌入式计算机，接收来自各传感器的测量信息，并根据控制律进行解算，给出控制信号驱动执行机构动作；执行机构主要包括升降舵机、副翼舵机、舵回路控制器、发动机油门电机和ECU控制器。飞控系统组成如图1所示。

高度控制器主要由内、外两个反馈控制回路构成。首先是以垂直陀螺和角速率陀螺测量信号作为反馈控制信号构成靶机姿态控制内回路(角运动控制系统)，包括横向、纵向两个控制通道，是系统的核心控制回路。由于姿态控制系统在常值干扰力矩(如垂风)的干扰下存在姿态角静差，会导致高度漂移，不能直接应用于高度轨迹的稳定与控制，因此在高度控制系统中需要直接测量飞机高度和垂向运动速度等线运动信息，使用高度表和线加速度计等传感器，在姿态控制系统基础上建立高度控制外回路，两者共同构成完整的高度控制系统(图1中阴影部分)。在超低空飞行时要使用高精度的高度传感器，通常采用无线电高度表。在该系统的实际设计中，采取了无线电高度表和线加速度计组合控制，即对无线电高度表和垂向线加速度计测量信息进行特定算法综合处理后，得到靶机高度和垂向速度的两路反馈控制信号，送到纵向姿态控制通道，形成高度控制外回路，与姿态控制内回路共同完成高度控制功能。