一种激光制导飞行器指控系统及指控方法

技术领域

本发明涉及飞行器控制领域，尤其涉及一种激光制导飞行器指控系统及指控方法。

背景技术

激光制导飞行器的工作特点决定了飞行器需要在末制导段中通过接收目标上漫反射的激光信号进行制导控制，这就要求在目标一定范围内具有能够识别目标并且持续用激光照射目标的相关设备；也是由于这一原因，目标也可以通过探测是否有激光照射自身来预判是否有飞行器正在飞向自己，还可以通过向外发射定频的激光信号来干扰常用的导引激光；

在目标具备防范意识的情况下，目标如果发现导引激光及飞行器，必然会立即采取应对手段，比如加速逃离等等，从而会降低飞行器的命中率，还会增加观测单元的安全隐患；

由于上述原因，本发明人对现有的激光制导飞行器指控系统及指控方法做了深入研究，设计出一种不容易被目标发现的激光制导飞行器指控系统及指控方法。

发明内容

为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种激光制导飞行器指控系统及指控方法，在该系统及方法中采用减少导引激光照射目标的时间，降低导引激光的能量强度，使用随机频率的导引激光等多种方案，旨在减少导引激光信号被目标发现的可能性，降低导引激光被干扰、屏蔽的可能性，确保激光导引过程的平稳有序进行，提高观测单元的安全性，也能提高飞行器的准确性。

具体来说，本发明的目的在于提供一种激光制导飞行器指控系统，该系统包括发射单元1、指挥单元2和观测单元3；其中，所述发射单元1用于发射飞行器；所述指挥单元2用于与发射单元1、观测单元3和飞行器进行信息交互；所述观测单元3用于确定目标位置，还用于发射跟踪照射目标的激光。

本发明还提供一种激光制导飞行器指控方法，该方法包括步骤1，通过观测单元3确定目标位置；步骤2，通过指挥单元2解算是否可以发射飞行器以及飞行器发射时的发射角度；步骤3，通过发射单元1发射飞行器；步骤4，通过观测单元3在特定时间发射跟踪照射目标的引导激光。

本发明所具有的有益效果包括：

(1)根据本发明提供的激光制导飞行器指控系统及指控方法能够减少导引激光照射目标的时间，从而降低目标发现导引激光的可能性；

(2)根据本发明提供的激光制导飞行器指控系统及指控方法能够根据需要来实时减弱导引激光的照射能量强度，刚好能够满足导引飞行器所用，使得飞行器能够接收到能量满足使用要求的激光信号，还能够进一步降低目标发现导引激光的可能性；

(3)根据本发明提供的激光制导飞行器指控系统及指控方法能够随机生成激光频率，并且飞行器能够识别该频率的激光信号，从而降低导引激光被屏蔽、干扰的可能性，也能够降低目标发现导引激光的可能性。

附图说明

图1示出根据本发明一种优选实施方式的激光制导飞行器指控系统整体逻辑模块图；

图2示出根据本发明一种优选实施方式的激光照射器发出的激光能量强度随时间变化的衰减示意图；

图3示出例1中飞行器的飞行轨迹和目标的运动轨迹示意图；

图4示出图3中的局部放大图；

图5示出例2中飞行器的飞行轨迹和目标的运动轨迹示意图；

图6示出图5中的局部放大图。

附图标号说明：

1-发射单元

2-指挥单元

3-观测单元

21-解算模块

31-目标捕捉模块

32-激光照射器

33-计时模块

34-激光频率编码器

35-激光照射能量档位解算模块

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

根据本发明提供的激光制导飞行器指控系统，如图1中所示，飞行器发射单元1、指挥单元2和观测单元3；

其中，所述发射单元1用于发射飞行器，还用于在发射前调整飞行器的发射角度，以便于调整飞行器的轨迹高度及飞行距离；并且在发射时给予飞行器足够大的初速度；

所述指挥单元2用于与发射单元1、观测单元3和飞行器进行信息交互；包括接收发射单元1、观测单元3和飞行器发出的信息，在进行相应处理后再给发射单元1、观测单元3和飞行器发送控制指令；所述发射单元是可以移动的，发射单元所在位置及移动速度都实时传递给指挥单元。

所述观测单元3用于确定目标位置，还用于发射跟踪照射目标的激光，该激光可称之为引导激光；优选地，所述观测单元3还用于采集目标位置附近的地理面貌信息及气象信息，以便于指挥单元充分了解目标及其周围的环境信息。

在一个优选的实施方式中，在所述指挥单元2中设置有解算模块21，其用于接收观测单元3传递出的目标位置信息和发射单元传递出的发射单元位置信息，并根据接收到的信息解算是否可以发射飞行器以及飞行器发射时的发射角度。

其中，所述位置信息包括经度坐标、纬度坐标和海拔高度信息；所述目标位置信息需要经过解算获得，所述观测单元3通过激光测距等设备确定观测单元与目标之间的相对位置和相对距离，结合观测单元自身的位置信息解算出目标的位置信息，该解算过程可以在观测单元中进行，也可以在指挥单元中进行；

所述指挥单元2在获知发射单元位置信息和目标位置信息后，根据发射单元和目标之间的距离判断飞行器能否到达目标位置，再结合具体需求判断是否发射飞行器，若判断结果为需要发射飞行器，则进一步解算为了飞行器顺利到达目标位置所需的飞行器的初始发射角度，并将解算出的结果作为控制指令发送给发射单元；

在一个优选的实施方式中，所述指挥单元还能够通过接收观测单元传递来的目标所在位置的地貌、路面情况及目标的行进方向和速度等信息，估计出特定时间后目标的位置，并且结合发射单元的位置及速度信息，控制发射单元的行进方向，以便于在特定时间后发射飞行器。

在一个优选的实施方式中，所述指挥单元2、发射单元1和观测单元上都安装有超短波电台等信息交互设备，以便于实时传递交互信息。具体来说，在发射单元中安装有指挥同步器CS，在指挥单元安装有通讯控制器FM3C，在观测单元安装有执行同步器ES、通讯控制器ESC，指挥同步器CS与通讯控制器FM3C信号连接，所述通讯控制器FM3C还与通讯控制器ESC信号连接，再通过执行同步器ES与通讯控制器ESC之间的信号连接实现指挥单元2、发射单元1和观测单元3之间的实时信号连通。本申请中所述的超短波电台等信息交互设备都是本领域中已有的通讯设备，能够实现上述功能即可，本申请对此不作特别限定。

在一个优选的实施方式中，所述观测单元包括目标捕捉模块31和激光照射器32；

所述目标捕捉模块31用于寻找捕获目标，其优选地包括摄像头，通过摄像头拍摄确定目标图像，所述目标捕捉模块31还包括激光测距仪、磁罗盘式寻北仪，通过激光测距仪确定观测单元与目标之间的相对距离，通过磁罗盘式寻北仪确定观测单元与目标之间的方位角；所述目标捕捉模块31的摄像头连续拍摄照片，以照片或者视频的形式呈现在显示屏幕上，可以通过操作者来确定/锁定目标，也可以通过图像识别的方式确定/锁定目标。

所述激光照射器32用于在捕获到目标后，在特定时间点启动工作，发出激光照射目标；优选地，在所述激光照射器32启动工作发出激光以前，实时调整该激光照射器32的角度，使得该激光照射器32一直朝向目标，确保激光照射器32启动工作时，发出的激光能够刚好照射在目标上。

优选地，所述观测单元是可移动的，其能够跟随目标移动，确保激光照射器32能够照射到目标；

优选地，在所述观测单元3中设置有计时模块33，所述计时模块33用于接收飞行器发射时间信息，并在倒计时结束时发出控制激光照射器32启动工作的启动指令；

在所述发射单元1发射飞行器时，发射单元1会将飞行器发射的具体时间及发射角度等信息实时传递给指挥单元2，所述指挥单元2会及时将飞行器的发射时间信息传递给观测单元3，所述观测单元3在接收到飞行器已发射的信息后，控制所述计时模块33启动，结合飞行器与目标之间的距离，解算模拟出飞行器从发射到进入末制导阶段所需时间，并且进入倒计时模式，在飞行器进入末制导段前1秒时倒计时结束，由计时模块33发出控制激光照射器32启动工作的启动指令。

在一个更优选的实施方式中，飞行器的飞行过程包括三个过程，依次是初始的上升段，中间的惯性制导段和最后的末制导段，飞行器在进入惯性制导段以后，通过机载计算机控制无线电信号收发器实时向指挥单元2传递飞行器自身的位置、速度信息。

所述指挥单元2中的解算模块实时接收上述位置、速度信息，据此实时解算/获知飞行器与目标之间的距离，获知更为准确的飞行器进入末制导段的时间信息，同样生成时间倒计时，本申请中称之为准确的倒计时信息，即准确的飞行器进入末制导段前的剩余时间信息；

指挥单元2实时将该准确的倒计时信息传递给观测单元3，所述观测单元3在接收到该准确的倒计时信息后，用准确的倒计时信息校正计时模块33中的倒计时信息，从而使得即使在飞行器发射后，指挥单元2与观测单元3之间的通讯被干扰或中断，或者飞行器与指挥单元2之间的通讯被干扰或中断，激光照射器32仍然能够接收到启动指令，确保飞行器在进入末制导段时能够接收到从目标上漫反射来的激光信号；并且在飞行器与指挥单元2、指挥单元2与观测单元3之间的通讯都良好的情况下，激光照射器32能够在更为合理的时间点接收到启动指令。

尽量在飞行器将要进入末制导段时才通过激光照射器发射激光，能够极大地减少目标被激光照射的时间，从而降低目标发现激光的可能性，降低目标发现有飞行器正在临近的可能性，从而增加飞行器命中目标的可能性。

在一个优选的实施方式中，在所述观测单元中设置有激光频率编码器34，所述激光频率编码器34用于根据预设的编码规则设定激光照射器32发出16种伪随机频率C0～C15中任一种频率的激光，该频率与通用的8种定频B0～B7不同。所述的预设的编码规则是本领域中已有的编码规则，可以选取任意一种相应的规则，能够实现上述功能即可，本申请对此不作特别限定。

在所述飞行器的激光导引头中设置有对应的激光频率解码器，其中设置有同样的编码规则，能够解算出激光照射器32发出的激光频率，从而使得激光导引头可以及时捕获到目标上漫反射的激光信号，完成激光制导。

通过设置该激光频率解码器能够降低目标发现激光信号的可能性，也能够降低激光信号被主动干扰的可能性。

在一个优选的实施方式中，在所述观测单元中还设置有激光照射能量档位解算模块35，其用于解算激光照射器32发出的激光的能量强度，即解算出导引飞行器所需要的激光能量强度，进而由该激光照射能量档位解算模块35按照解算出的激光能量强度变化规律输出激光信号能量强度指令，从而控制激光照射器按照该能量强度指令发出对应能量强度的激光。

优选地，随着时间的延续，所述控制激光照射器32发出的激光能量强度逐渐减弱。

由于飞行器是朝向目标飞行的，飞行器与目标之间的距离越来越小，飞行器接收到目标漫反射的激光信号所需要的激光能量也是越来越小的，所述激光照射器32发出的激光能量能够刚好满足飞行器可捕捉到目标即可，降低激光信号能量也能够降低目标发现导引激光的可能性。

更优选地，从所述观测单元3的激光照射器32接收到启动指令并开始发出激光照射目标时开始计时，激光照射器32发出的激光能量随时间的推移而降低；

在所述激光照射能量档位解算模块35通过下式(一)实时解算激光照射器发出的激光能量强度；

P＝P

其中，P表示激光照射器发出的激光能量强度，是与时间有关的变量，P

本申请还提供一种激光制导飞行器指控方法，该方法包括如下步骤：

步骤1，通过观测单元3确定目标位置，

步骤2，通过指挥单元2解算是否可以发射飞行器以及飞行器发射时的发射角度，

步骤3，通过发射单元1发射飞行器，

步骤4，通过观测单元3在特定时间发射跟踪照射目标的激光。

优选地，在步骤1中，所述观测单元3是可移动的，通过移动观测单元3到目标的附近位置，从而能够利用摄像头观察到目标，再通过激光测距仪确定观测单元与目标之间的相对距离，通过磁罗盘式寻北仪确定观测单元与目标之间的方位角，从而获知、确定目标位置。

优选地，还通过观测单元3还用于采集目标位置附近的地理面貌信息及气象信息，以便于指挥单元充分了解目标及其周围的环境信息。

在一个优选的实施方式中，所述指挥单元2中的解算模块21接收观测单元3传递出的目标位置信息和发射单元传递出的发射单元位置信息；

所述发射单元是可以移动的，发射单元所在位置及移动速度都实时传递给指挥单元2；

所述指挥单元2在获知发射单元位置信息和目标位置信息后，根据发射单元和目标之间的距离判断飞行器能否到达目标位置，再结合具体需求判断是否发射飞行器，若判断结果为需要发射飞行器，则进一步解算为了飞行器顺利到达目标位置所需的飞行器的初始发射角度，并将解算出的结果作为控制指令发送给发射单元；

在一个优选的实施方式中，在步骤4中，通过观测单元3中的计时模块33根据飞行器的发射时间控制激光照射器32启动工作的时间。具体来说，所述发射单元1在发射飞行器时，将发射飞行器的时间信息传递给所述观测单元3，所述观测单元3在接收到该信息后解算模拟出飞行器从发射到进入末制导阶段所需时间，并开始计时，在飞行器进入末制导阶段前1秒计时结束，并控制激光照射器32启动工作。

在一个优选的实施方式中，在步骤4中，通过指挥单元2解算出准确的倒计时信息实时校正激光照射器32的启动工作时间。

飞行器在进入惯性制导段以后，通过机载计算机控制无线电信号收发器实时向指挥单元2传递飞行器自身的位置、速度信息，所述指挥单元2据此解算出更为准确的飞行器进入末制导的时间信息，即准确的倒计时信息，并将之传递给观测单元3，从而校正观测单元3中计时模块33的倒计时信息。通过设置上述控制过程，能够确保即使观测单元3被信号屏蔽，其上的激光照射器32也能够基本按时启动。

在一个优选的实施方式中，该方法还包括步骤5，通过激光频率编码器34设定激光照射器32发出的激光的频率；所述激光频率编码器34根据预设的编码规则设定激光照射器32随机生成16种伪随机频率C0～C15中任一者并发出，其与通用的8种定频B0～B7中任一种都不同。

与之对应地，在所述飞行器的激光导引头中设置有激光频率解码器，其中设置有同样的编码规则，能够解算出激光照射器32发出的激光频率，从而使得激光导引头可以及时捕获到目标上漫反射的激光信号，完成激光制导。通过该方法给导引激光加密，进一步降低导引激光被目标发现的可能性。

所述步骤5在激光照射器32启动工作前执行，从而使得激光照射器32启动时即可按照步骤5设定的频率发射激光。

在一个优选的实施方式中，该方法还包括步骤6，通过激光照射能量档位解算模块35实时解算激光照射器发出激光的能量强度；该能量强度是随时间逐渐降低的，刚好能够满足飞行器对导引激光强度的要求，刚好能够被飞行器感应/探测到；通过控制激光照射器32按照激光照射能量档位解算模块35实时解算出的能量强度工作，提供解算出的激光能量强度，能够进一步降低目标发现导引激光的可能性。

优选地，所述激光照射能量档位解算模块35通过下式(一)实时解算激光照射器发出的激光能量强度；

P＝P

其中，P表示激光照射器发出的激光能量强度，是与时间有关的变量，P

计算机仿真模拟实验：

发射单元所在位置信息为经度105°E、纬度26°N、海拔高度1000米，观测单元所在位置信息为经度105°2′E、纬度26°3′N、海拔高度1100米，观测单元寻找并发现目标，确定目标与观测单元之间的相对位置关系为距离1200米，北偏东30°，从而获知目标的位置信息为经度105°2′20″E、纬度26°3′38″N、海拔高度1000米；已知飞行器的有效飞行距离为8000米，判断飞行器能够到达目标位置，通过指挥单元控制发射单元以50度的倾斜角度发射飞行器；

在例1中，所述发射单元、指挥单元和观测单元都选用本申请中所述的激光制导飞行器指控系统中的发射单元、指挥单元和观测单元，在飞行器发射后，发射单元将飞行器发射时间信息传递给指挥单元，再经由指挥单元传递给观测单元，观测单元开始进行19秒倒计时，其中，飞行器的速度为300米/秒，进入末制导段所需时间为20秒；

在飞行器在进入惯性制导段以后，指挥单元2实时接收飞行器发出的速度、位置信息，解算出准确的倒计时信息，并将之传递给观测单元，观测单元在飞行器发射后19秒发出激光，照射目标，并且按照P＝P

图3和图4中还示出了目标的运动轨迹，从图中可知目标并未生速度突变，目标保持以16.7米/秒的速度匀速直线前进，即可认为目标并未发现激光信号或者飞行器。

在例2中，发射单元在飞行器发射后即开始激光照射目标，飞行器在发射后第30秒着陆，所述飞行器的飞行轨迹如图5和图6中所示，从图中可以看出，飞行器的落点与目标之间的距离为50米以上；

图5和图6中还示出了目标的运动轨迹，从图中可知目标在第22秒时加速移动，即可认为目标发现其自身被激光照射后作出了加速逃离的反应。具体来说，飞行器发射时距离目标7000米，目标以16.7米/秒的速度匀速直线前进，飞行器抛物线飞行且平均速度295米/秒。从飞行器发射时起，激光一直照射目标，飞行器发射21秒时，目标共前进了350米，此时目标的激光警报器发现激光导引信号，第22秒时，目标转弯90度，并加速行进，保持并以25米/秒的速度远离预定行进方向，并且在第27秒时再次转弯90度，朝向原来最初目标的方向行进，第30秒飞行器着陆，飞行器着陆时，飞行器与目标之间的距离为190米。

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。