臺灣博碩士論文加值系統

本論文的主旨是探討攔截飛彈中途與終端三維導引律以及轉向與姿態控制系統的設計。因為在中途及終端階段的導引加速度均須由彈體側向的推力器來達成，而在終端階段紅外線尋標器必須一直鎖定目標，真比例導引律似為最恰當的選擇。本文推導三維真比例導引律的公式，並以模擬分析系統參數如雷達量測誤差大小、紅外線尋標器的鎖定距離、飛行控制系統的頻寬等對攔截效能的影響。攔截飛彈的轉向與姿態控制均以開關式推力器為致動器。轉向控制系統是單純以脈衝寬度調變的方式來達到導引加速度的需求。維持三軸穩定的姿態控制系統是以線性化的模式進行線性設計，採姿態角及角速度回授，並以脈衝寬度調變的方式合成。數值模擬以標準飛彈三型為藍本。模擬結果可提供未來硬體發展的參考。

The thesis investigates three-dimensional midcourse and terminal guidance laws for missile interceptor and the associated divert and attitude control system design. Since the commanded guidance acceleration, in both the midcourse phase and terminal phase, is achieved using divert thrusters and in the terminal phase the infrared seeker needs to continuously lock-on to the target, true proportional navigation guidance law seems to be the most appropriate choice among the various guidance laws. We derive the three-dimensional true proportional navigation guidance law and analyze, via simulations, various system parameters such as radar measurement errors, seeker lock-on range, and flight control system bandwidth, have on the performance of the interceptor. Divert and attitude control system use on-off thrusters as actuators. Divert control achieves the command guidance acceleration using pulse width modulation (PWM), in which the pulse duration is proportional to the magnitude of acceleration command. Attitude control system is linear and designed using linearized model, it uses angle and rate feedback, achieves three-axis stabilization and is implemented using PWM. Simulations for both guidance and control use Standard Missile III as a prototype. Results from this research should be useful for future system and hardware development.

中文摘要 ………………………………………………………… i
英文摘要 ………………………………………………………… ii
誌謝 ………………………………………………………… iii
目錄 ………………………………………………………… iv
表目錄 ………………………………………………………… vi
圖目錄 ………………………………………………………… vii
第一章 緒論 …………………………………………………… 1
第二章 飛彈模型 ……………………………………………… 3
2.1 飛彈簡介 ……………………………………………… 3
2.2 座標系統定義 ………………………………………… 4
2.2.1 慣性座標 ……………………………………………… 4
2.2.2 體座標 ………………………………………………… 5
2.2.3 視線座標 ……………………………………………… 5
2.2.4 球座標 ………………………………………………… 5
2.3 飛彈運動方程式 ……………………………………… 6
2.3.1 慣性坐標與飛彈體座標轉換 ………………………… 6
2.3.2 六自由度運動方程式 ………………………………… 9
2.4 目標運動方程式 ……………………………………… 13
第三章 真比例導引律 ………………………………………… 14
3.1 比例導引律 …………………………………………… 14
3.2 二維真比例導引律 …………………………………… 14
3.3 三維真比例導引律 …………………………………… 16
第四章 子系統 ………………………………………………… 21
4.1 地面雷達 ……………………………………………… 21
4.1.1 地面雷達量測位置誤差的數學模式 ………………… 21
4.1.2 地面雷達量測速度誤差的數學模式 ………………… 23
4.2 紅外線尋標器 ………………………………………… 23
4.3 空氣阻力與重力 ……………………………………… 25
4.4 飛行控制系統 ………………………………………… 26
4.5 攔截效能 ……………………………………………… 26
4.5.1 最小誤差距離 ………………………………………… 27
4.5.2 零力誤差與截殺率 …………………………………… 28
第五章 中途與終端導引之模擬與討論 ……………………… 29
5.1 模擬流程 ……………………………………………… 29
5.2 模擬結果 ……………………………………………… 30
5.2.1 紅外線尋標器鎖定距離 ……………………………… 32
5.2.2 雷達量測位置角度誤差的標準差 …………………… 34
5.2.3 雷達量測位置角度誤差的FIR濾波器的長度 ……… 35
5.2.4 飛行控制系統的3-dB頻寬 …………………………… 39
5.2.5 雷達量測速度誤差的標準差 ………………………… 41
5.2.6 雷達量測速度誤差的FIR濾波器的長度 …………… 42
5.2.7 正確的角速度 ………………………………………… 45
第六章 轉向與姿態導控設計 ………………………………… 47
6.1 開關式推力器模式 …………………………………… 47
6.2 脈衝寬度調變(PWM)控制之設計 …………………… 48
6.3 轉向與姿態推力器之配置 …………………………… 49
6.4 加速度與力矩的計算 ………………………………… 51
6.4.1 攔截飛彈推力器的加速度 …………………………… 51
6.4.2 攔截飛彈推力器的力矩 ……………………………… 52
6.5 線性姿態控制參數之設計 …………………………… 59
6.6 開關式脈衝寬度調變推力器之實現 ………………… 62
6.6.1 開關式PWM轉向推力器 ……………………………… 62
6.6.2 開關式PWM姿態推力器 ……………………………… 62
6.7 模擬與討論 …………………………………………… 64
6.7.1 模擬流程 ……………………………………………… 64
6.7.2 質心偏移 ……………………………………………… 65
6.7.3 推力器開關頻率 ……………………………………… 69
第七章 結論 …………………………………………………… 78
參考文獻 ………………………………………………………… 80
附錄A ………………………………………………………… 82

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[9] “angular velocity”,
http://en.wikipedia.org/wiki/Angular_velocity.
[10] 「雷達」，
http://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%9B%B7%E9%81%94.
[11] C. A. Lin, ”Six Degree-of-Freedom Simulation of Launch Vehicle Dynamics A preliminary report,” Jan. 17, 2006.
[12] “Pulse-width modulation,”
http://en.wikipedia.org/wiki/Pulse-width_modulation.
[13] “Standard Missile III,” Raytheon Corporation.
[14] 「透析美2008年中共軍力報告書意涵」
http://www.youth.com.tw/db/epaper/es001001/M97.04.07-A.htm
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[17] 「美國海基導彈射星首枚集中間諜衛星」
http://big5.thethirdmedia.com/g2b.aspx/ido.3mt.com.cn/Article/200802/show916275c30p1.html