(LUẬN án TIẾN sĩ) nghiên cứu nâng cao chất lượng hoạt động của đầu tự dẫn hồng ngoại cho thiết bị bay có điều khiển trên cơ sở hoàn thiện bộ định hướng và luật dẫn tiếp cận tỷ lệ tăng cường

Nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển TL tự dẫn hồng ngoại trên cơ sở cải thiện hoạt động của bộ định hướng bộ tọa độ bám sát mục tiêu đầu tự dẫn con quay quang điện tử và cải tiến p

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

ĐOÀN VĂN THÚY

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HOẠT ĐỘNG CỦA

ĐẦU TỰ DẪN HỒNG NGOẠI CHO THIẾT BỊ BAY

CÓ ĐIỀU KHIỂN TRÊN CƠ SỞ HOÀN THIỆN BỘ ĐỊNH HƯỚNG

VÀ LUẬT DẪN TIẾP CẬN TỶ LỆ TĂNG CƯỜNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2022

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

ĐOÀN VĂN THÚY

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HOẠT ĐỘNG CỦA

ĐẦU TỰ DẪN HỒNG NGOẠI CHO THIẾT BỊ BAY

CÓ ĐIỀU KHIỂN TRÊN CƠ SỞ HOÀN THIỆN BỘ ĐỊNH HƯỚNG

VÀ LUẬT DẪN TIẾP CẬN TỶ LỆ TĂNG CƯỜNG

Ngành : Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

Mã số : 9 52 02 16

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯíNG DẪN KHOA HỌC

1 TS Nguyễn Xuân Căn

2 TS Phan Tương Lai

HÀ NỘI – 2022

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nghiên cứu trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ

Nghiên cứu sinh

Đoàn Văn Thúy

LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất tới TS Nguyễn Xuân Căn và TS Phan Tương Lai là hai người thầy đã trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo tận tình, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án

Tôi gửi lời cảm ơn chân thành Phòng Đào tạo – Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Viện Tên lửa, Viện Tự động hóa Kỹ thuật quân sự, đã tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành bản luận án

Trân trọng cảm ơn gia đình, bè bạn đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện cho tôi hoàn thành bản luận án này

Nghiên cứu sinh

Đoàn Văn Thúy

MỤC LỤC

Trang

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ x

DANH MỤC CÁC BẢNG xiii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TÊN LỬA PHÒNG KHÔNG TỰ DẪN HỒNG NGOẠI 8

1.1 Bộ định hướng con quay quang điện tử và phương pháp xác định tọa độ mục tiêu trên tên lửa tự dẫn hồng ngoại 9

1.1.1 Bộ định hướng con quay quang điện tử trên đầu tự dẫn tên lửa hồng ngoại 9

1.1.2 Nguyên lý xác định tọa độ mục tiêu trong bộ định hướng con quay quang điện tử 11

1.2 Các phương pháp dẫn điển hình của lớp tên lửa tự dẫn hồng ngoại 13

1.2.1 Phương pháp dẫn thẳng 14

1.2.2 Phương pháp dẫn tiếp cận song song 15

1.2.3 Phương pháp dẫn tiếp cận tỷ lệ 17

1.3 Phân tích các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về hệ thống điều khiển tự dẫn của lớp tên lửa phòng không tự dẫn hồng ngoại 18

1.3.1 Bài toán hoàn thiện, nâng cao chất lượng xử lý tín hiệu, bám sát mục tiêu cho bộ định hướng con quay quang điện tử trên đầu tự dẫn tên lửa 18

1.3.2 Bài toán cải tiến phương pháp dẫn tiếp cận tỷ lệ cho lớp tên lửa tự dẫn hồng ngoại 25

1.4 Đặt vấn đề nghiên cứu cho luận án 28

1.5 Kết luận chương 1 29CHƯƠNG 2 TỔNG HỢP THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG TRẠNG THÁI

HỆ PHI TUYẾN TRONG BÀI TOÁN XÁC ĐỊNH TỌA ĐỘ GÓC MỤC TIÊU CỦA BỘ ĐỊNH HƯỚNG CON QUAY QUANG ĐIỆN TỬ 312.1 Nghiên cứu các phương pháp điều chế tín hiệu trong bộ định hướng con quay quang điện tử của TLPK tự dẫn hồng ngoại 312.1.1 Phương pháp điều chế biên độ - pha 322.1.2 Phương pháp điều chế tần số - pha 362.2 Ứng dụng thuật toán lọc Kalman phi tuyến để ước lượng tọa độ góc của mục tiêu trong phương pháp điều chế tần số - pha 402.2.1 Ước lượng trạng thái với bộ lọc Kalman tuyến tính 402.2.2 Ước lượng trạng thái hệ phi tuyến với bộ lọc Kalman mở rộng 452.2.3 Ước lượng trạng thái hệ phi tuyến với bộ quan sát Kalman thích nghi 482.3 Ứng dụng thuật toán lọc Kalman phi tuyến để ước lượng tọa độ góc mục tiêu trong phương pháp điều chế tần số - pha 502.3.1 Mô hình trạng thái phi tuyến của tín hiệu điều chế tần số - pha FM mang thông tin về mục tiêu 502.3.2 Tổng hợp bộ quan sát trạng thái sử dụng lọc Kalman phi tuyến để ước lượng tọa độ góc mục tiêu 522.4 Kết quả mô phỏng trên Matlab/Simulink 562.5 Kết luận chương 2 64CHƯƠNG 3 TỔNG HỢP THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CHO

HỆ TRUYỀN ĐỘNG BÁM ROTOR CON QUAY CỦA BỘ ĐỊNH HƯỚNG TRÊN TÊN LỬA HỒNG NGOẠI 663.1 Mô hình toán hệ truyền động bám rotor con quay trong bộ định

hướng của đầu tự dẫn tên lửa hồng ngoại 673.1.1 Bộ dẫn động rotor con quay nam châm vĩnh cửu trong bộ định hướng 67

3.1.2 Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động bám rotor con quay trong bộ định hướng của tên lửa hồng ngoại 743.1.3 Mô hình trạng thái hệ truyền động bám rotor con quay đầu tự

dẫn tên lửa hồng ngoại 783.2 Bộ điều khiển PID theo tiêu chuẩn ITAE trong hệ truyền động bám của rotor con quay 803.3 Điều khiển tối ưu toàn phương tuyến tính và ứng dụng trong hệ

truyền động bám của rotor con quay 833.3.1 Bài toán điều khiển tối ưu với phiếm hàm dạng toàn phương 843.3.2 Tổng hợp bộ điều khiển tối ưu theo tiêu chuẩn toàn phương tuyến tính cho hệ truyền động bám của rotor con quay đầu tự dẫn 873.4 Mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ truyền động bám rotor con

quay trong Matlab/Simulink 883.4.1 Tiến hành mô phỏng trên môi trường Matlab/Simulink 883.4.2 Kết quả nghiên cứu mô phỏng và đánh giá chất lượng của hệ thống 903.5 Kết luận chương 3 96CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP DẪN TIẾP CẬN TỶ LỆ TĂNG CƯỜNG CÓ TÍNH ĐẾN LƯỢNG BÙ DỊCH TÂM ĐIỂM NGẮM MỤC TIÊU CHO CHO LỚP TÊN LỬA TỰ DẪN HỒNG NGOẠI 974.1 Xây dựng vòng điều khiển kín cho tên lửa tự dẫn trong mặt phẳng

thẳng đứng 984.1.1 Mô hình động hình học tự dẫn TL-MT có tính đến sự cơ động của mục tiêu 984.1.2 Sơ đồ cấu trúc vòng điều khiển kín tên lửa tự dẫn hồng ngoại 1014.2 Nghiên cứu phương pháp dẫn tiếp cận tỷ lệ tăng cường có tính đến

bù dịch tâm điểm ngắm ở pha cuối quá trình tự dẫn 1034.3 Giải pháp kỹ thuật để thực hiện được phương pháp dẫn tiếp cận tỷ

lệ tăng cường 108

4.3.1 Luận giải vấn đề 108

4.3.2 Xây dựng hệ phương trình trạng thái phi tuyến của mô hình động hình học TL-MT 110

4.3.3 Tổng hợp bộ lọc Kalman mở rộng ước lượng tham số trạng thái của mục tiêu trong vòng điều khiển tự dẫn 111

4.4 Kết quả mô phỏng vòng điều khiển kín tự dẫn tên lửa trong mặt phẳng thẳng đứng 113

4.4.1 Tham số mô phỏng vòng điều khiển kín tên lửa tự dẫn hồng ngoại 113

4.4.2 Kết quả mô phỏng phương pháp dẫn tiếp cận tỷ lệ tăng cường khi mục tiêu là máy bay phản lực 115

4.4.3 Kết quả mô phỏng phương pháp dẫn tiếp cận tỷ lệ tăng cường khi mục tiêu là máy bay trực thăng 119

4.4.4 Kết quả mô phỏng ước lượng trạng thái của mục tiêu sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng 123

4.5 Kết luận chương 4 126

KẾT LUẬN 127

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 129

TÀI LIỆU THAM KHẢO 130 PHỤ LỤC P-1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

a Gia tốc tiếp tuyến của tên lửa (m s/ 2) t

a Gia tốc pháp tuyến của tên lửa ( 2

/

m s )

n MT

a Gia tốc pháp tuyến của mục tiêu (m s/ 2)

M

B Cảm ứng từ trường của nam châm vĩnh cửu (T )

T

B Cảm ứng từ trường của cuộn dây điều khiển con quay (T )

D Cự ly tương đối giữa TL và MT (m)

f Tần số quay của đĩa điều chế ( Hz )

H Mô men động lượng của rotor con quay (Nms)

Vector đơn vị của trục dọc tên lửa

α Góc pha của ảnh mục tiêu (0)

0

φ Góc đường ngắm TL-MT của vector cự ly (0)

φp Góc đường ngắm TL-MT trong luật dẫn tỷ lệ truyền thống (0)

φq Góc đường ngắm TL-MT trong luật dẫn tỷ lệ tăng cường (0)

θM Góc lệch của mục tiêu so với trục Ox g (0)

θTL Góc nghiêng trục dọc tên lửa (0)

ρ Bán kính ảnh mục tiêu so với gốc tọa độ O (mm)

ω Vận tốc góc của rotor con quay (0/s)

ωD Tốc độ góc đường ngắm TL-MT (0

/s)

KF Bộ lọc Kalman (Kalman Filter)

LQR Điều khiển tối ưu toàn phương tuyến tính (Linear Quadratic

Regulator)

PID Bộ điều khiển PID PLL Vòng khóa pha (Phase Loop Lock) RMSE Sai số trung bình bình phương (Root Mean Square Erorr) SNR Tỷ số tín trên tạp (Signal to Noise Ration)

TAG Dẫn thích nghi theo mục tiêu (Target adaptive guidance) TBB Thiết bị bay

TLPK Tên lửa phòng không TLPKTT Tên lửa phòng không tầm thấp TL-MT Tên lửa – Mục tiêu

ГОН Tín hiệu điện áp chuẩn

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1 Sơ đồ vòng điều khiển bộ định hướng con quay quang điện tử 9

Hình 1.2 Sơ đồ mô tả tọa độ mục tiêu trong hệ thống quang của bộ định hướng 12

Hình 1.3 Các góc không gian của tên lửa trong hệ tọa độ Ox y z g g g 14

Hình 1.4 Quỹ đạo TL-MT trong phương pháp dẫn tiếp cận song song 16

Hình 1.5 Phối bộ tổ hợp tên lửa phòng không tầm thấp tự dẫn hồng ngoại: 19 Hình 1.6 Thay đổi vị trí điểm chạm trên mục tiêu bay với lệnh bù dịch tâm điểm ngắm 26

Hình 2.1 Các vị trí ảnh mục tiêu trên đĩa điều chế biên độ - pha 33

Hình 2.2 Đặc tuyến truyền đạt biên độ của điều chế biên độ - pha 34

Hình 2.3 Giản đồ tín hiệu trong phương pháp điều chế biên độ - pha 35

Hình 2.4 Giản đồ tín hiệu trong phương pháp điều chế tần số - pha 37

Hình 2.5 Đặc trưng hệ số truyền đạt K của điều chế tần số - pha 37

Hình 2.6 Ước lượng trạng thái với bộ lọc Kalman 40

Hình 2.7 Sơ đồ cấu trúc của bộ ước lượng trạng thái Kalman tuyến tính 45

Hình 2.8 Lưu đồ thuật toán tổng hợp bộ ước lượng trạng thái sử dụng lọc Kalman mở rộng ước lượng tín hiệu sai lệch bám sát mục tiêu 55

Hình 2.9 Lưu đồ thuật toán tổng hợp bộ ước lượng trạng thái sử dụng lọc Kalman thích nghi để ước lượng tín hiệu sai lệch bám sát mục tiêu 56

Hình 2.10 Sơ đồ cấu trúc mô phỏng xử lý tín hiệu điều chế FM với hai bộ lọc EKF và AEKF 58

Hình 2.11 Tín hiệu đầu vào bộ lọc: 59

Hình 2.12 Kết quả ước lượng tín hiệu sai lệch bám sát mục tiêu 59

Hình 2.13 So sánh kết quả ước lượng góc pha và biên độ 60

Hình 2.14 Tín hiệu đầu vào bộ lọc: 61

Hình 2.15 Kết quả ước lượng tín hiệu sai lệch bám sát mục tiêu 62

Hình 2.16 So sánh kết quả ước lượng góc pha và biên độ của tín hiệu 62

Hình 3.1 Hệ tọa độ trong bộ dẫn động con quay 68

Hình 3.2 Bộ định hướng trên đầu tự dẫn tên lửa hồng ngoại 68

Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc bộ dẫn động con quay 72

Hình 3.4 Biểu diễn góc xác định hướng mục tiêu 72

Hình 3.5 Sơ đồ cấu trúc mô hình bộ định hướng con quay quang điện tử 73

Hình 3.6 Sơ đồ các hệ tọa độ mục tiêu trong bám sát con quay 74

Hình 3.7 Sơ đồ cấu trúc truyền động bám của rotor con quay 78

Hình 3.8 Sơ đồ cấu trúc truyền động bám của rotor con quay 79

Hình 3.9 Sơ đồ điều khiển PID-ITAE truyền động bám của rotor con quay 81 Hình 3.10 Sơ đồ bộ điều khiển phản hồi trạng thái tối ưu LQR 87

Hình 3.11 Sơ đồ Simulink hệ truyền động rotor con quay trong mặt phẳng thẳng đứng với bộ điều khiển PID-ITAE 89

Hình 3.12 Sơ đồ Simulink mô phỏng hệ truyền động bám rotor con quay với bộ điều khiển tối ưu 90

Hình 3.13 Mô hình đối tượng điều khiển 90

Hình 3.14 Đặc tính quá độ đáp ứng đầu ra góc bám trục rotor con quay 91

Hình 3.15 Đặc tính quá độ đáp ứng đầu ra góc bám trục rotor con quay 93

Hình 3.16 Đặc tuyến bám sát góc khi mục tiêu di chuyển 94

Hình 3.17 Đặc tuyến bám sát góc khi mục tiêu di chuyển có tính tới ảnh hưởng của nhiễu ngoài 95

Hình 4.1 Tương quan động hình học tự dẫn tên giữa tên lửa với mục tiêu 98

Hình 4.2 Mô hình động hình học tự dẫn TL-MT 101

Hình 4.3 Sơ đồ cấu trúc vòng điều khiển kín tên lửa tự dẫn hồng ngoại 102

Hình 4.4 Tương quan động hình học tự dẫn tên giữa tên lửa với mục tiêu khi có dịch chuyển điểm ngắm 104

Hình 4.5 Sơ đồ vòng bám sát con quay có tính tới lệnh bù thích nghi 105

Hình 4.6 Lưu đồ thuật toán tổng bộ lọc Kalman mở rộng EKF ước lượng trạng thái của mục tiêu trong vòng điều khiển tự dẫn 112

Hình 4.7 Sơ đồ cấu trúc mô phỏng vòng điều khiển kín tên lửa tự dẫn

hồng ngoại 113

Hình 4.8 Mô hình khối tự động lái 114

Hình 4.9 Khối điều khiển mô phỏng luật dẫn tiếp cận tỷ lệ tăng cường 114

Hình 4.10 Mô hình gia tốc mục tiêu ở đầu vào vòng điều khiển kín 115

Hình 4.11 Quỹ đạo TL-MT khi bắn đuổi mục tiêu máy bay phản lực 116

Hình 4.12 Đồ thị gia tốc của tên lửa khi bắn đuổi mục tiêu máy bay phản lực 116

Hình 4.13 Đồ thị đặc tuyến lệnh bù thích nghi dịch tâm điểm ngắm khi bắn đuổi mục tiêu máy bay phản lực 117

Hình 4.14 Quỹ đạo TL-MT khi bắn đón mục tiêu máy bay phản lực 117

Hình 4.15 Đồ thị gia tốc của tên lửa khi bắn đón mục tiêu máy bay phản lực 118

Hình 4.16 Đồ thị đặc tuyến lệnh bù thích nghi dịch tâm điểm ngắm mục tiêu khi bắn đón mục tiêu máy bay phản lực 118

Hình 4.17 Kết quả mô phỏng luật dẫn tỷ lệ tăng cường khi bắn đuổi mục tiêu máy bay trực thăng: a – Quỹ đạo TL-MT; b – Gia tốc của tên lửa 120

Hình 4.18 Đồ thị đặc tuyến lệnh bù thích nghi dịch tâm điểm ngắm khi bắn đuổi mục tiêu máy bay trực thăng 121

Hình 4.19 Kết quả mô phỏng luật dẫn tỷ lệ tăng cường khi bắn đón mục tiêu máy bay trực thăng: a – Quỹ đạo TL-MT; b – Gia tốc của tên lửa 121

Hình 4.20 Đồ thị đặc tuyến lệnh bù thích nghi dịch tâm điểm ngắm mục tiêu khi bắn đón mục tiêu máy bay trực thăng 122

Hình 4.21 Kiểm tra tính quan sát được của hệ thống 124

Hình 4.22 Ước lượng cự ly mục tiêu 124

Hình 4.23 Ước lượng vận tốc tiếp cận TL-MT 125

Hình 4.24 Ước lượng gia tốc mục tiêu 125

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 2.1: So sánh sai số trung bình bình phương 63

Bảng 3.1: Đa thức đặc trưng theo tiêu chuẩn ITAE 82

Bảng 3.2: So sánh đặc tính quá trình quá độ 91

Bảng 3.3: So sánh đặc tính quá trình quá độ 93

Bảng 4.1: So sánh độ trượt tức thời khi mục tiêu là máy bay phản lực 119

Bảng 4.2: So sánh độ trượt tức thời khi mục tiêu là máy bay trực thăng 123

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài luận án

Chất lượng hoạt động của hệ thống điều khiển tên lửa (TL) tự dẫn hồng ngoại (thiết bị bay (TBB) tự dẫn hồng ngoại) phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong

đó độ chính xác xác định tọa độ góc mục tiêu (MT) và luật dẫn TL được áp dụng đóng vai trò quan trọng Nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển TL tự dẫn hồng ngoại trên cơ sở cải thiện hoạt động của bộ định hướng (bộ tọa độ bám sát mục tiêu) đầu tự dẫn con quay quang điện tử và cải tiến phương pháp dẫn TL đang giành được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học ở cả trong và ngoài nuớc, trong đó có các hướng nghiên cứu chính sau:

Hướng thứ nhất là tiếp tục nghiên cứu cải tiến hệ thống xử lý thông tin của bộ định hướng đầu tự dẫn hồng ngoại trên cơ sở các phương pháp điều khiển, xử lý tín hiệu truyền thống nhằm nâng cao khả năng phát hiện và bám sát MT Trong đó, vấn đề đầu tiên trong hướng này là tập trung nghiên cứu, chế tạo các loại quang trở hồng ngoại có tạp thấp, độ nhạy cao và hằng số thời gian nhỏ để có thể nhạy cảm được với bức xạ hồng ngoại của MT có cường độ thấp

và bước sóng dài [4], [17], [47], [65] Giải pháp bố trí quang trở trong bộ định hướng con quay quang điện tử tối ưu với các đường dẫn quang học cũng được nghiên cứu hợp lý để vừa thu được cường độ bức xạ hồng ngoại lớn nhất từ

MT, vừa không bị các cơ cấu cơ khí của bộ dẫn động con quay ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu Vấn đề thứ hai trong hướng này là nghiên cứu ứng dụng các thuật toán điều khiển mới, kết hợp với các thuật toán lọc số hiện đại để xử

lý, nâng cao chất lượng bám sát MT của bộ định hướng con quay quang điện

tử trên đầu tự dẫn TL hồng ngoại [15], [16], [40]

Hướng thứ hai trong việc nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển TL

tự dẫn hồng ngoại là tối ưu hóa quỹ đạo bay tự dẫn tên lửa – mục tiêu (TL-MT)

[25], [36], [43], [44], [51], [55] Đối với hầu hết các loại TL tự dẫn có mục đích tiêu diệt các MT kích thước nhỏ và cự ly gần thường dùng phương pháp dẫn tiếp cận tỷ lệ truyền thống Thực hiện phương pháp dẫn này trên các hệ thống

kỹ thuật cụ thể cũng chỉ đạt được ở mức tương đối Khi MT có khả năng cơ động cao, thì hiệu quả của phương pháp dẫn tiếp cận tỷ lệ giảm đáng kể

Hiện nay, các kết quả nghiên cứu về lĩnh vực điều khiển TL tự dẫn hồng ngoại được công bố công khai theo các hướng nghiên cứu trên là rất đáng khích

lệ, tuy nhiên vẫn còn nhiều bài toán còn để ngỏ, cần được tiếp tục đi sâu nghiên

cứu và hoàn thiện Đề tài luận án “Nghiên cứu nâng cao chất lượng hoạt động của đầu tự dẫn hồng ngoại cho thiết bị bay có điều khiển trên cơ sở hoàn thiện

bộ định hướng và luật dẫn tiếp cận tỷ lệ tăng cường” hướng tới việc nghiên

cứu, giải các bài toán trong hai hướng nghiên cứu trên Trong đó, luận án tập trung nghiên cứu các thuật toán lọc và điều khiển hiện đại để nâng cao chất lượng hệ đo bám tọa độ MT của bộ định hướng con quay quang điện tử; tổng hợp, cải tiến luật dẫn TL đảm bảo độ chính xác dẫn cao khi MT cơ động, có tính tới sai lệch giữa tâm vùng bức xạ hồng ngoại và trọng tâm của MT nhằm nâng cao chất lượng điều khiển và hiệu quả chiến đấu cho lớp TL phòng không

tự dẫn hồng ngoại thụ động chỉ có một kênh đo tốc độ góc đường ngắm

TL-MT

2 Mục tiêu nghiên cứu của luận án

Luận án đặt vấn đề nghiên cứu là bài toán phát hiện, xử lý thông tin bám sát mục tiêu, tối ưu hóa quỹ đạo bay tiếp cận mục tiêu cho lớp TL phòng không

tự dẫn hồng ngoại trên cơ sở tổng hợp các thuật toán lọc, điều khiển tối ưu và luật dẫn tiếp cận tỷ lệ tăng cường nhằm hoàn thiện bộ định hướng con quay quang điện tử để nâng cao hiệu quả chiến đấu cho lớp TL tự dẫn hồng ngoại

3 Nội dung nghiên cứu của luận án

Nội dung chủ yếu của luận án sẽ tập trung giải quyết các vấn đề chính sau:

- Xây dựng mô hình toán học của tín hiệu điều chế tần số - pha mang thông tin về mục tiêu; đề xuất nghiên cứu ứng dụng các bộ lọc Kalman phi tuyến trong bài toán giải điều chế và xác định tọa độ góc mục tiêu của bộ định hướng con quay quang điện tử trên đầu tự dẫn tên lửa hồng ngoại;

- Nghiên cứu tổng hợp thuật toán điều khiển tối ưu cho hệ truyền động bám rotor con quay của bộ định hướng trên đầu tự dẫn tên lửa hồng ngoại để nâng cao khả năng bám sát mục tiêu cơ động;

- Tổng hợp luật dẫn tiếp cận tỷ lệ tăng cường trong vòng điều khiển tự dẫn TL-MT cho lớp tên lửa tự dẫn hồng ngoại, có tính đến lượng bù dịch tâm điểm ngắm mục tiêu ở pha cuối của quá trình tự dẫn để nâng cao xác suất tiêu diệt mục tiêu;

- Nghiên cứu ứng dụng bộ lọc Kalman mở rộng trong vòng điều khiển

tự dẫn TL-MT để ước lượng các tham số mục tiêu mà bộ định hướng con quay quang điện tử không đo được;

- Mô phỏng kiểm chứng các kết quả của luận án

4 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: đối tượng nghiên cứu của luận án là lớp tên lửa

phòng không (TLPK) tầm thấp sử dụng đầu tự dẫn hồng ngoại thụ động với một kênh đo tốc độ góc đường ngắm TL-MT

Phạm vi nghiên cứu: phạm vi nghiên cứu của luận án được hạn chế

trong khuôn khổ mô hình toán học vòng điều khiển kín của lớp TL tự dẫn hồng ngoại có tính đến các yếu tố phi tuyến trong một mặt phẳng thẳng đứng Luận

án sử dụng mô hình động hình học tự dẫn TL-MT làm nền tảng, kết hợp với lý

thuyết lọc và ước lượng trạng thái trong hệ thống điều khiển, lý thuyết điều khiển tối ưu, luật dẫn tên lửa làm công cụ giải quyết các bài toán đặt ra

5 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết: Dựa trên hai nguồn kiến thức từ tài liệu công nghệ

chuyển giao và từ các cơ sở lý thuyết, khái niệm, nguyên lý cơ bản để nghiên cứu làm sáng tỏ nguyên lý của hệ thống điều khiển tên lửa tự dẫn hồng ngoại

Vận dụng lý thuyết về các bộ lọc phi tuyến và ước lượng trạng thái trong

hệ thống điều khiển để giải điều chế, xử lý tín hiệu mang thông tin về mục tiêu thu được sau quang trở trong điều kiện có nhiễu tác động

Vận dụng lý thuyết về điều khiển tối ưu để nâng cao độ chính xác quá trình bám sát mục tiêu trong vòng điều khiển bám sát mục tiêu của rotor con quay trong bộ định hướng của đầu tự dẫn

Vận dụng lý thuyết về phương pháp dẫn tên lửa để xây dựng và cải tiến phương pháp tiếp cận tỷ lệ truyền thống Từ đó, tiến hành xây dựng luật dẫn tiếp cận tỷ lệ tăng cường cho lớp tên lửa tự dẫn hồng ngoại

Nghiên cứu mô phỏng: Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với sử dụng kỹ

thuật mô phỏng bằng Matlab/Simulink để chứng minh và đánh giá hiệu quả của các thuật toán được xây dựng, tổng hợp trong luận án

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Ý nghĩa khoa học: Việc nghiên cứu, ứng dụng các thuật toán lọc và điều

khiển trong bộ định hướng con quay quang điện tử và vòng điều khiển kín động học tên lửa – mục tiêu cho lớp tên lửa tự dẫn hồng ngoại là hướng nghiên cứu mới Hiện nay, các nội dung nghiên cứu này đang được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm và phát triển Đây là hướng đi tiếp cận với sự phát triển của khoa học công nghệ nhằm tạo ra một lớp TL tự dẫn hồng ngoại linh hoạt, đáng tin cậy, đáp ứng được yêu cầu thực tiễn của chiến tranh hiện đại

Ý nghĩa thực tiễn: Bài toán phát hiện, xử lý thông tin bám sát mục tiêu,

tối ưu hóa quỹ đạo bay tiếp cận mục tiêu cho lớp TL tự dẫn hồng ngoại rất có

ý nghĩa trong thực tế khi cải tiến và nâng cao chất lượng của khí tài quân sự, đặc biệt là đối với chương trình nhiệm vụ cấp quốc gia về nghiên cứu, cải tiến, nâng cấp vũ khí TL phòng không tự dẫn hồng ngoại hiện nay

7 Bố cục của luận án

Bố cục luận án bao gồm: phần mở đầu; bốn chương nội dung; phần kết luận; danh mục tài liệu tham khảo và phụ lục, với những nội dung chính sau:

Mở đầu:

Phần mở đầu trình bày tính cấp thiết của đề tài luận án, khái quát chung

về mục tiêu, đối tượng, nội dung, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học

và thực tiễn của luận án

Chương 1: Tổng quan các công trình nghiên cứu và các hệ thống điều khiển tên lửa phòng không tự dẫn hồng ngoại

Trong chương 1, luận án trình bày tổng quan về bộ định hướng con quay quang điện tử, phương pháp xác định tọa độ mục tiêu trên đầu tự dẫn TL hồng ngoại thụ động; về các phương pháp dẫn điển hình của lớp TL tự dẫn hồng ngoại thụ động; phân tích đánh giá tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

về nâng cao chất lượng hoạt động của bộ định hướng con quay quang điện tử

và luật dẫn tên lửa làm cơ sở để đặt ra các vấn đề nghiên cứu cho luận án

Chương 2: Tổng hợp thuật toán ước lượng trạng thái hệ phi tuyến trong bài toán xác định tọa độ góc mục tiêu của bộ định hướng con quay quang điện tử

Chương 2 của luận án trình bày về các bộ ước lượng trạng thái và lọc Kalman phi tuyến được ứng dụng trong bài toán phát hiện và xử lý tín hiệu bám sát mục tiêu của bộ định hướng tên lửa tự dẫn hồng ngoại Trên cơ sở mô tả sơ

đồ chức năng của bộ định hướng con quay quang điện tử trên đầu tự dẫn hồng

ngoại, cũng như phương pháp điều chế biên độ - pha (AM) và điều chế tần số

- pha (FM), chương 2 tiến hành xây dựng phương pháp tổng hợp bộ ước lượng trạng thái của tín hiệu sai lệch bám sát mục tiêu sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng EKF và bộ lọc Kalman thích nghi AEKF trong bài toán lọc và giải điều chế tín hiệu FM mang thông tin mục tiêu từ hệ quang của bộ định hướng con quay quang điện tử trong điều kiện có nhiễu tác động và mô phỏng trong Matlab/Simulink để đánh giá các kết quả đạt được

Chương 3: Tổng hợp thuật toán điều khiển tối ưu cho hệ truyền động bám rotor con quay của bộ định hướng trên tên lửa hồng ngoại

Trong chương 3, luận án tiến hành phân tích và xây dựng mô hình động lực học của hệ truyền động bám sát mục tiêu của con quay rotor nam châm vĩnh cửu trong bộ định hướng của tên lửa tự dẫn hồng ngoại thụ động Trên cơ sở

đó, chương 3 tiến hành tổng hợp bộ điều khiển PID theo tiêu chuẩn ITAE Đồng thời luận án xây dựng mô hình toán của hệ truyền động bám trong không gian trạng thái và tổng hợp bộ điều khiển tối ưu toàn phương tuyến tính LQR cho

hệ truyền động rotor con quay Tiến hành mô phỏng chứng minh ưu điểm của

bộ điều khiển tối ưu LQR đề xuất so với bộ điều khiển PID-ITAE truyền thống

Chương 4: Nghiên cứu phương pháp dẫn tiếp cận tỷ lệ tăng cường có tính đến lượng bù dịch tâm điểm ngắm mục tiêu cho lớp tên lửa tự dẫn hồng ngoại

Chương 4 của luận án giải quyết hai vấn đề Thứ nhất là ứng dụng phương pháp dẫn tiếp cận tỷ lệ tăng cường có tính tới bù dịch chuyển điểm ngắm thích nghi theo mục tiêu ở pha cuối của quá trình tự dẫn để nâng cao hiệu quả chiến đấu, giảm độ trượt tức thời cho lớp tên lửa tự dẫn hồng ngoại thụ động

Vấn đề thứ hai là nghiên cứu ứng dụng bộ lọc Kalman mở rộng cho hệ phương trình trạng thái phi tuyến của vòng điều khiển tự dẫn để ước lượng các

tham số mục tiêu mà bộ định hướng con quay quang điện tử không đo được bao gồm: cự ly, vận tốc tiếp cận và gia tốc của mục tiêu cơ động nhằm hiện thực hóa phương pháp dẫn tiếp cận tỷ lệ tăng cường cho lớp tên lửa tự dẫn hồng ngoại thụ động

Kết luận:

Trong phần này, luận án làm nổi bật những kết quả nghiên cứu và các đóng góp mới của luận án, đồng thời chỉ rõ các hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo của luận án

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TÊN LỬA PHÒNG KHÔNG TỰ DẪN HỒNG NGOẠI

Tổ hợp tên lửa phòng không (TLPK) tự dẫn hồng ngoại với ưu điểm là tính cơ động cao, bí mật, bất ngờ và hiệu quả cao Hiện nay, các tổ hợp tên lửa loại này đã và đang được nhiều nước trên thế giới tập trung đầu tư nghiên cứu phát triển, thiết kế chế tạo và đưa vào trang bị cho quân đội Trong đó, bài toán điều khiển tên lửa phòng không tự dẫn hồng ngoại đang được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu như trong các công trình [13], [15], [16], [17], [18], [19], [36], [43], [45], [47], [51], [58], Các công trình nghiên cứu về lĩnh vực điều khiển tên lửa phòng không tự dẫn hồng ngoại đã

có những kết quả bước đầu nhưng còn hạn chế Tuy nhiên trong những năm gần đây, việc nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng của hệ thống điều khiển tên lửa tự dẫn hồng ngoại chưa được đẩy mạnh Do vậy, các kết quả nghiên cứu chưa thực sự đáp ứng yêu cầu đề ra

Nội dung chính của chương 1 là xác định nhiệm vụ của luận án, thể hiện

ở phát biểu các bài toán cần giải Để hiểu rõ quá trình điều khiển và xác định tọa độ mục tiêu, phần đầu của chương 1 trình bày về bộ định hướng con quay quang điện tử và phương pháp xác định tọa độ mục tiêu sử dụng bộ định hướng con quay quang điện tử trên đầu tự dẫn của lớp tên lửa phòng không tự dẫn hồng ngoại thụ động Phần tiếp theo của chương điểm lại các phương pháp dẫn điển hình cho lớp tên lửa tự dẫn hồng ngoại thụ động Tiến hành phân tích đánh giá tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về bài toán hoàn thiện và nâng cao chất lượng bám sát mục tiêu cho bộ định hướng con quay quang điện tử và các hạn chế của phương pháp dẫn tiếp cận tỷ lệ truyền thống trong vòng điều khiển tự dẫn của tên lửa

Từ đó, tác giả đã đề xuất các bài toán nghiên cứu trong nhiệm vụ của luận án với mục tiêu nâng cao chất lượng điều khiển và hiệu quả chiến đấu cho lớp tên lửa phòng không tự dẫn hồng ngoại

1.1 Bộ định hướng con quay quang điện tử và phương pháp xác định tọa

độ mục tiêu trên tên lửa tự dẫn hồng ngoại

1.1.1 Bộ định hướng con quay quang điện tử trên đầu tự dẫn tên lửa hồng ngoại

Bộ định hướng con quay quang điện tử (trong một số tài liệu khác như [4], [13], [16], [17], [18], bộ định hướng con quay quang điện tử còn được gọi là bộ tọa độ bám sát mục tiêu hoặc máy đo tọa độ mục tiêu) trên đầu tự dẫn

TL hồng ngoại có chức năng đo toạ độ mục tiêu, xử lý tín hiệu đo được, bám sát mục tiêu, tạo tín hiệu sai lệch để dẫn động con quay bám sát mục tiêu và tạo lệnh điều khiển đến hệ thống máy lái của TL [1], [4], [58], [60] Bộ định hướng con quay quang điện tử gồm có các khâu sau: hệ thống quang, đĩa điều chế, quang trở máy thu, khuếch đại sơ bộ với khâu tự hiệu chỉnh, bộ giải điều chế

và lọc thông thấp, cuộn dây tạo tín hiệu điện áp chuẩn ГОН, khuếch đại hiệu chỉnh, cơ cấu dẫn động con quay Các khâu của bộ định hướng tạo thành một vòng điều khiển kín dẫn động rotor con quay bám sát mục tiêu của đầu tự dẫn tên lửa Sơ đồ khối chức năng vòng điều khiển của bộ định hướng con quay quang điện tử của tên lửa phòng không tự dẫn hồng ngoại được mô tả trên Hình 1.1

Hình 1.1 Sơ đồ vòng điều khiển bộ định hướng con quay quang điện tử

Xét trên Hình 1.1, hệ thống quang bao gồm nắp bảo vệ ngoài, cụm gương phản xạ, cụm thấu kính hội tụ Nắp bảo vệ tạo ra một buồng kín mà trong đó

có rotor con quay nam châm vĩnh cửu, trên đỉnh của rotor con quay có gắn cụm

hệ thống gương phản xạ, thấu kính, đĩa điều chế và quang trở Chùm năng lượng bức xạ nhiệt hồng ngoại từ mục tiêu ( ) t đi qua hệ thống quang và hội tụ tại một điểm trên đĩa điều chế Đĩa điều chế kết hợp với quang trở máy thu sẽ biến dòng năng lượng bức xạ nhiệt ( ) t từ mục tiêu thông thành tín hiệu điện dưới dạng tín hiệu điều chế u t1( ) Tuỳ thuộc vào phương pháp điều chế mà tín hiệu

1 ( )

u t có dạng khác nhau

Đối với lớp tên lửa phòng không tự dẫn hồng ngoại, bộ định hướng con quay quang điện tử được bố trí trên đầu tự dẫn của tên lửa Để đảm bảo tên lửa luôn bám sát được mục tiêu trong quá trình tự dẫn thì nhất thiết phải thiết lập được mối liên hệ giữa pha ban đầu của tín hiệu điện áp chuẩn ГОН (hay còn gọi là tín hiệu điện áp gốc) được tạo ra bởi cuộn dây tạo tín hiệu chuẩn với pha ban đầu của tín hiệu điều chế mang thông tin về mục tiêu thu được sau quang trở u t1( ) Về giải pháp công nghệ trên đầu tự dẫn tên lửa hồng ngoại để làm trùng pha ban đầu của tín hiệu chuẩn ГОН với pha ban đầu của tín hiệu điều chế sau quang trở u t1( ) thì giải pháp là bố trí trục của đĩa điều chế trùng với trục đường sức từ trường đi qua tâm và vuông góc với mặt phẳng chứa cuộn dây tạo điện áp chuẩn ГОН để thu được tín hiệu ở đầu ra của quang trở u t1( )

có pha ban đầu trùng với pha ban đầu của tín hiệu điện áp chuẩn ГОН

Tầng tạo tín hiệu tọa độ mục tiêu bao gồm bộ giải điều chế và bộ lọc Tín hiệu sai lệch bám sát mục tiêu u MT( )t tại đầu ra của bộ lọc giải điều chế có biên độ và pha ban đầu phản ánh sai lệch của mục tiêu so với trục quang của tên lửa trong hệ tọa độ cực Tín hiệu sai lệch bám sát mục tiêu u MT( )t có dạng:

Từ những phân tích trên, ta có thể rút ra nhận xét sau:

Bộ định hướng con quay quang điện tử là một vòng điều khiển kín xử lý tín hiệu và bám sát mục tiêu của đầu tự dẫn tên lửa hồng ngoại Tín hiệu sai lệch bám sát mục tiêu được xử lý ở các khâu của kênh thẳng trong vòng điều khiển kín được mô tả ở Hình 1.1 sẽ được phản hồi về để dẫn động đánh lệch rotor con quay bám theo mục tiêu sao cho góc sai lệch giữa đường ngắm TL-

MT và trục quang của TL tiến về không

Trong luận án, tác giả sẽ tiến hành nghiên cứu, phân tích, đề xuất các giải pháp để hoàn thiện và nâng cao chất lượng xử lý tín hiệu và khả năng bám sát mục tiêu của bộ định hướng con quay quang điện tử trong vòng điều khiển kín của đầu tự dẫn TL ở chương 2 và chương 3 của luận án

1.1.2 Nguyên lý xác định tọa độ mục tiêu trong bộ định hướng con quay quang điện tử

Nguyên lý đo, xác định tọa độ mục tiêu sử dụng hệ quang học trong bộ định hướng con quay quang điện tử dựa trên sự tương phản quang học bức xạ hồng ngoại của mục tiêu trên nền Tín hiệu đầu vào hệ quang học là dòng năng lượng bức xạ hồng ngoại của mục tiêu hoặc bức xạ nền Đo toạ độ góc của mục tiêu được tiến hành theo vị trí của ảnh mục tiêu trên mặt phẳng tiêu cự của hệ quang học Tín hiệu đầu ra của hệ quang học tại đầu ra của quang trở là tín hiệu điện, được điều chế và mang thông tin về toạ độ góc của mục tiêu Sơ đồ mô tả

tọa độ mục tiêu và ảnh mục tiêu trong hệ thống quang học của bộ định hướng con quay quang điện tử trên TL tự dẫn hồng ngoại được thể hiện trên Hình 1.2

Hình 1.2 Sơ đồ mô tả tọa độ mục tiêu trong hệ thống quang của bộ định hướng Trên Hình 1.2, hệ thống quang học có tiêu cự là f k Mục tiêu nằm trên mặt phẳng vuông góc với trục dọc của bộ định hướng con quay quang điện tử, cách kính vật một khoảng D0 thì ảnh mục tiêu sẽ nằm trên mặt phẳng tiêu cự

Hệ tọa độ Ox y z k k k gắn liền với bộ định hướng con quay quang điện tử Hệ tọa

độ O x y z là hệ tọa độ gắn với mặt phẳng mục tiêu Tọa độ của mục tiêu trên * * * *k k k

mặt phẳng mục tiêu là y k, z k Tọa độ của mục tiêu trên mặt phẳng tiêu cự khi biểu diễn trên hệ tọa độ Đề-các là y z, hoặc khi biểu diễn trên hệ tọa độ cực là

trong đó: ρ – bán kính ảnh mục tiêu so với gốc tọa độ O; α – góc pha của ảnh mục tiêu so với trục Oy k; ψ k – góc lệch của mục tiêu so với trục quang;

ψky

 , ψ kz – góc lệch hình chiếu mục tiêu so với trục quang

Trong quá trình bám sát mục tiêu, do các góc ψky, ψkz nhỏ (khoảng 2 ÷ 3o o), nên biểu thức (1.2) có thể viết lại dưới dạng sau:

từ mục tiêu, phản ánh những thông số về tọa độ mục tiêu Máy thu tín hiệu hồng ngoại (quang trở) được bố trí sau đĩa điều chế để biến đổi năng lượng hồng ngoại thành tín hiệu điện mang thông tin về tọa độ góc của mục tiêu Tín hiệu này trên tên lửa tự dẫn hồng ngoại được biểu diễn trong hệ tọa độ Oy z dưới k k

dạng tọa độ cực có biên độ tỷ lệ với bán kính ρ và pha bằng pha của ảnh mục tiêu α trên mặt phẳng tiêu cự

1.2 Các phương pháp dẫn điển hình của lớp tên lửa tự dẫn hồng ngoại

Đối với lớp TL tự dẫn hồng ngoại thụ động, hệ thống điều khiển được đặt trên khoang của thân TL Chuyển động tự dẫn của TL theo luật dẫn là chuyển động mà lực pháp tuyến được chủ động tạo ra để duy trì một hoặc nhiều tham số nào đó của tương quan giữa TL và MT hoặc tham số về quỹ đạo của

nó Độ lớn và hướng của lực pháp tuyến không được định trước mà phụ thuộc vào độ lệch của các tham số cần duy trì Việc duy trì một tham số nhằm đạt được mục tiêu nào đó Mục tiêu cần đạt có thể là tiếp cận đến gặp mục tiêu cơ

động trong không gian hoặc bám theo quỹ đạo mong muốn Quá trình điều khiển bao gồm việc thu nhận, xử lý thông tin về mục tiêu, tạo lệnh điều khiển đưa đến cánh lái [1], [4], [57]

Đối với lớp TL tự dẫn hồng ngoại, có các phương pháp dẫn sau:

1.2.1 Phương pháp dẫn thẳng

Phương pháp dẫn thẳng đòi hỏi trục dọc của TL luôn hướng về phía mục tiêu Phương pháp dẫn thẳng là phương pháp đơn giản nhất theo quan điểm thực tế, bởi vì nó dễ thiết kế và không đòi hỏi những giải pháp công nghệ phức tạp Để thực hiện phương pháp này chỉ cần làm sao cho trục dọc của máy đo toạ độ mục tiêu luôn luôn song song với trục dọc TL và yêu cầu hệ thống điều khiển TL luôn luôn hướng trục dọc của bộ định hướng đầu tự dẫn vào mục tiêu

Phương trình vector của phương pháp dẫn thẳng như sau:

– vector đơn vị của trục dọc tên lửa; D0

– vector đơn vị của cự

ly

Hình 1.3 Các góc không gian của tên lửa trong hệ tọa độ Ox y z g g g

Trong hệ tọa cố định Ox y z g g g (Hình 1.3), vector X10

được xác định bởi góc chúc ngóc  và góc lệch hướng ψ ; vector cự ly D0

được xác định bởi các

góc ν và ε Viết lại (1.4) theo các góc định vị tương ứng trong không gian của phương pháp dẫn thẳng như sau:

sin θ

n TL MT

V V a

D

trong đó, V – vận tốc của TL; TL V MT – vận tốc của MT; D – cự ly TL-MT;

θMT – góc tấn công tạo bởi hướng của vector vận tốc MT và hướng của vector

cự ly

Phương pháp dẫn thẳng đơn giản, dễ thực hiện và thường được sử dụng trong giai đoạn đầu của quá trình tự dẫn hoặc khi bắn các mục tiêu cố định, có vận tốc nhỏ

Tuy nhiên, phương pháp dẫn thẳng có nhược điểm cơ bản là gia tốc điều khiển của tên lửa a TL n phụ thuộc vào cự ly, góc tấn công, tốc độ của mục tiêu

và tên lửa Quỹ đạo của phương pháp dẫn thẳng có dạng xoắn hypebol và gia tốc TL tăng lên rất lớn khi TL tiếp cận gần mục tiêu có thể gây ra hiện tượng vượt quá tải cho phép [1], [6] Vì vậy, phương pháp dẫn này ít được sử dụng trong thực tế hiện nay

1.2.2 Phương pháp dẫn tiếp cận song song

Phương pháp dẫn tiếp cận song song là phương pháp dẫn mà hướng của các vector đơn vị của cự ly D0

luôn song song với nhau trong suốt quá trình dẫn TL [4], [6], [8] Phương trình vector của phương pháp dẫn tiếp cận song song được mô tả như sau:

0 0

ξ D  

trong đó, ξ0

– vector đơn vị không đổi định trước; D0

– vector đơn vị của cự ly;  – tham số điều khiển

Từ (1.7), ta nhận được hệ phương trình liên hệ vô hướng cho các góc định vị của hai vector ξ0

Bản chất của phương pháp dẫn tiếp cận song song là các vector cự ly

TL-MT trong suốt quá trình dẫn luôn song song với nhau (Hình 1.4)

Hình 1.4 Quỹ đạo TL-MT trong phương pháp dẫn tiếp cận song song Xét quỹ đạo của phương pháp tiếp cận song song trên Hình 1.4 Mục tiêu chuyển động với vận tốc VMT

hướng tới điểm E Trong trường hợp mục tiêu chuyển động thẳng, vận tốc của tên lửa VTL

luôn hướng vào điểm E Điểm E gọi là điểm gặp Tại thời điểm t véc tơ cự ly là 0 D ; đến thời điểm 0 t véc tơ 1

cự ly là D song song với 1 D và đến thời điểm 0 t có vecto cự ly n D song song n

với D , 0 D Khi đó, vector vận tốc tương đối giữa tên lửa và mục tiêu là: 1

td TL MT

V V V

Vector vận tốc tương đối Vtd

nằm trên đường ngắm TL - MT và luôn hướng vào mục tiêu (Hình 1.4) Vì vậy, phương pháp dẫn tiếp cận song song luôn đảm bảo chuyển động tương đối giữa tên lửa và mục tiêu Nếu mục tiêu chuyển động thẳng đều thì tên lửa cũng chuyển động thẳng đều đến điểm gặp

Theo [1], [4], [61] gia tốc pháp tuyến yêu cầu của tên lửa trong phương pháp dẫn tiếp cận song song được xác định như sau:

2 2

P P

  – tỷ số vận tốc của tên lửa và mục tiêu; a MT n – gia tốc pháp tuyến của mục tiêu; θMT – góc tấn công tạo bởi hướng của vector vận tốc mục tiêu và hướng của vector TL-MT

Từ (1.10), ta thấy rằng gia tốc điều khiển của tên lửa a TL n không phụ thuộc vào cự ly mà chỉ phụ thuộc vào góc tấn công θMT, vận tốc của tên lửa và mục tiêu V , TL V MT Khi tỷ số vận tốc P 1 và Pconst thì giá trị tuyệt đối gia tốc điều khiển của tên lửa không vượt quá gia tốc mục tiêu

Phương pháp dẫn tiếp cận song song là phương pháp lý tưởng và bảo đảm sai số dẫn bằng không tại điểm gặp Tuy nhiên, phương pháp dẫn này ít được sử dụng vì không thể đảm bảo được tại mọi thời điểm vector vận tốc tương đối nằm trên đường ngắm TL-MT do tính chất chuyển động của mục tiêu là ngẫu nhiên, không biết trước Do đó, phương pháp này thường ít được sử dụng trong thực tế

1.2.3 Phương pháp dẫn tiếp cận tỷ lệ

Phương pháp dẫn tiếp cận tỷ lệ là phương pháp dẫn mà tốc độ góc của

vector cự ly D luôn có xu hướng giảm dần và tiến tới không Bản chất của

phương pháp dẫn này là gia tốc pháp tuyến của tên lửa tỷ lệ với tốc độ góc của vector cự ly (đường ngắm TL-MT)

Phương trình đặc trưng của phương pháp dẫn tiếp cận tỷ lệ có dạng sau:

0 φ(τ)

n TL

theo một chương trình cho trước ở các điểm rời rạc

Trong phương pháp dẫn tiếp cận tỷ lệ, điều quan trọng là bộ định hướng trên đầu tự dẫn TL phải xác định được tốc độ góc quay của đường ngắm TL-

MT ωD để làm tham số điều khiển Tốc độ góc ωD khi dẫn bằng phương pháp tiếp cận tỷ lệ thường giảm rất chậm và không bao giờ bằng không trong quá trình điều khiển Bởi vậy, phương pháp dẫn tiếp cận tỷ lệ thực chất khác với phương pháp dẫn tiếp cận song song Vì phương pháp dẫn tiếp cận tỷ lệ sử dụng tốc độ góc đường ngắm TL-MT làm tham số điều khiển nên hướng tiếp cận mục tiêu của TL là không cho trước Hướng đó được lựa chọn dần trong quá trình dẫn TL nhờ hệ thống điều khiển

1.3 Phân tích các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về hệ thống điều khiển tự dẫn của lớp tên lửa phòng không tự dẫn hồng ngoại

1.3.1 Bài toán hoàn thiện, nâng cao chất lượng xử lý tín hiệu, bám sát mục tiêu cho bộ định hướng con quay quang điện tử trên đầu tự dẫn tên lửa 1.3.1.1 Phân tích các giải pháp kỹ thuật nâng cao chất lượng hoạt động của

bộ định hướng

Tổ hợp TLPK tầm thấp vác vai, tự dẫn hồng ngoại có ưu điểm chính là tính cơ động cao, bí mật, bất ngờ và hiệu quả cao trong tác chiến phòng không

tầm thấp, tạo ô phòng không bảo vệ đội hình hành quân Các nước nghiên cứu phát triển tên lửa phòng không vác vai chính là Nga và Mỹ với hai sản phẩm TLPKTT điển hình là tên lửa Igla (Nga) và tên lửa Stinger (Mỹ) (Hình 1.5)

Hình 1.5 Phối bộ tổ hợp tên lửa phòng không tầm thấp tự dẫn hồng ngoại:

a - Tổ hợp TLPKTT Igla S (9K338); b - Tổ hợp TLPKTT Stinger (FIM-92E)

Hai mẫu TLPK tầm thấp tự dẫn hồng ngoại kiểu vác vai đầu tiên của Mỹ (Redeye) và Nga (strela-2) được nghiên cứu thiết kế chế tạo hoàn toàn độc lập

và đưa vào trang bị cách nhau có 3 năm (Mỹ 1965, Nga 1968) Các chuyên gia quân sự nước ngoài nhận xét: mặc dù không có cơ hội thu thập thông tin nghiên cứu thiết kế của nhau, nhưng cả hai đều có những đặc điểm kỹ thuật chính giống nhau, nhất là đối với hệ thống điều khiển, đó là:

1 Hai tên lửa đều ứng dụng phương pháp dẫn tiếp cận tỉ lệ;

2 Chúng đều sử dụng đầu tự dẫn hồng ngoại thụ động;

3 Hệ điều khiển dẫn tên lửa chỉ có một cơ cấu chấp hành;

4 Đều sử dụng sơ đồ khí động “con vịt”

Cùng với sự phát triển của các phương tiện tiến công đường không là sự phát triển của các thế hệ TLPK tự dẫn hồng ngoại Cụ thể: Mỹ đã phát triển ba loại TLPK tự dẫn hồng ngoại (FIM-92B, FIM-92C, FIM-92E); Nga cũng phát triển năm loại (strela-2M, strela-3, Igla-1, Igla, Igla-S) nhưng vẫn giữ nguyên phương pháp sử dụng chiến đấu phóng từ vai đơn giản và linh hoạt như phiên

bản ban đầu (Redeye của Mỹ và Strela 2 của Nga) Để tăng cường khả năng bắt, bám mục tiêu có dấu hiệu nhỏ trên nền nhiễu phức tạp, cả Nga và Mỹ đã không ngừng nghiên cứu đưa ra các giải pháp kỹ thuật cải tiến bộ định hướng con quay quang điện tử trên đầu tự dẫn TL

Giải pháp đầu tiên là cải tiến độ nhạy quang trở máy thu của bộ định hướng Các thế hệ TLPK tự dẫn hồng ngoại thế hệ một và thế hệ hai được trang

bị quang trở để thu tín hiệu hồng ngoại chỉ nhạy cảm với dải sóng hồng ngoại

1.7 2.5μm của luồng phụt động cơ Khi này, TL chỉ bắn được mục tiêu ở bán cầu sau (bắn đuổi mục tiêu) [4], [9], [59], [65] Các thế hệ TL thứ ba, thứ tư sử dụng các quang trở máy thu có độ nhạy cao với dải sóng hồng ngoại 3.5 5.3μm

do thân mục tiêu bức xạ ra Sử dụng hai hoặc ba quang trở kết hợp với làm lạnh quang trở đến nhiệt độ -196oC để tăng độ nhạy với các dải sóng khác nhau nhằm lọc nhiễu nền của mặt trời và nhiễu tích cực do đối phương tạo ra [4], [59], [65] Giải pháp này được áp dụng ở Igla, Igla-S, FIM-92E

Giải pháp kỹ thuật tiếp theo là phát triển đĩa điều chế Sự phát triển đĩa điều chế thấy rõ nhất ở Igla-1 sử dụng đĩa điều chế tần số Với đĩa điều chế chuyển từ điều chế xung trên Strela-2 sang điều chế tần số đã cho phép đảm bảo tăng tỉ số tín trên tạp, ngoài ra còn khắc phục được hiện tượng tăng nhiễu nền khi mục tiêu ở gần tâm trên Strela-2 Các giải pháp này có thể được nâng cao bằng cách sử dụng đĩa điều chế dạng đặc biệt; đĩa điều chế đa kênh để áp dụng các thuật toán xử lý thông tin tối ưu hơn

Một trong những giải pháp kỹ thuật được áp dụng trên TLPK tự dẫn hồng ngoại thế hệ mới hiện nay (Igla, Igla-S) là việc sử dụng các mạch xử lý tín hiệu tốc độ nhanh, thuật toán kỹ thuật số tiên tiến để nén, lọc nền, tạp và tăng rõ rệt khả năng chống nhiễu có tổ chức nhằm phát hiện nhanh, chính xác vị trí dấu hiệu mục tiêu

Ngoài những giải pháp kỹ thuật chính, trực tiếp để bắt bám từ xa mục tiêu có dấu hiệu nhỏ trên nền nhiễu phức tạp, các giải pháp kỹ thuật gián tiếp như: giảm tạp trắng bằng cách giảm chấn cho quang trở và tiền khuếch đại bằng cách đưa quang trở và mạch tiền khuếch đại lên con quay (Igla, Igla-S), chủ động giảm rung cho các máy lái điện - khí, hoặc thay bằng máy lái điện ít phát

ra dao động rung như Igla-S, Verba, FIM-92E,F,H Hiện nay, Nga và Mỹ vẫn tiếp tục nghiên cứu và phát triển các loại tên lửa này và tập trung nỗ lực nghiên cứu vào bộ định hướng con quay quang điện tử của đầu tự dẫn tên lửa là chính

1.3.1.2 Phân tích các công trình nghiên cứu ngoài nước về giải pháp xử lý tín hiệu hồng ngoại, xác định tọa độ mục tiêu trên bộ định hướng đầu tự dẫn hồng ngoại

Trên đầu tự dẫn tên lửa hồng ngoại, bộ định hướng quang điện tử sử dụng đĩa điều chế và quang trở máy thu có độ nhạy cao đang là giải pháp được ứng dụng rộng rãi để xử lý tín hiệu hồng ngoại và xác định tọa độ của MT trong trường nhìn của TL Bộ định hướng quang điện tử thu năng lượng bức xạ hồng ngoại từ MT và sử dụng đĩa điều chế quay kết hợp với quang trở để biến dòng năng lượng bức xạ này thành tín hiệu điện có dạng điều chế mang thông tin về

MT Tín hiệu điện điều chế này có thể có các dạng sau: biên độ - pha, tần số - pha Tiến hành lọc và giải điều chế tín hiệu điều chế mang thông tin MT, ta sẽ thu được tín hiệu sai lệch bám sát MT có biên độ và pha phản ánh tọa độ góc của MT so với TL

Trong những năm gần đây, trên thế giới có nhiều công trình công bố đã

đi sâu nghiên cứu quá trình xử lý tín hiệu hồng ngoại, quá trình điều chế và giải điều chế tín hiệu sử dụng đĩa điều chế, điển hình là các nghiên cứu trong [19], [45], [46], [47],

Trong [47], Olsson G tiến hành xây dựng mô hình, mô phỏng nguyên lý hoạt động của đĩa điều chế kiểu biên độ AM và đĩa điều chế kiểu tần số FM

Mục đích chính của nghiên cứu này là khảo sát tín hiệu điều chế mang thông tin về mục tiêu ở đầu ra của quang trở máy thu với hai loại đĩa điều chế AM và đĩa điều chế FM Tuy nhiên, công trình này chưa đề cập đến các phương pháp giải điều chế tín hiệu sau quang trở để thu được thông tin về tọa độ của mục tiêu

Trong [19], Abbas O và cộng sự đã sử dụng đĩa điều chế tĩnh để điều chế tín hiệu FM trong miền tuyến tính của đĩa điều chế kiểu tần số - pha Nhóm tác giả khảo sát trường hợp thay đổi bán kính của dấu điểm ảnh mục tiêu trên đĩa điều chế Sự thay đổi bán kính này phụ thuộc vào khoảng cách giữa tên lửa với mục tiêu Để giải điều chế tín hiệu FM, nhóm tác giả ứng dụng thuật toán giải điều chế FM analog kinh điển và so sánh với giải điều chế FM sử dụng biến đổi Hilbert Transform [23] Việc ứng dụng các bộ lọc số để giải điều chế tín hiệu FM chưa thấy được đề cập nghiên cứu trong công trình này

Trong công trình [45], Oh J S và nhóm tác giả đề xuất mô hình xử lý tín hiệu số để cải thiện hiệu suất của đĩa điều chế tĩnh tín hiệu kiểu FM Trong

mô hình này, tác giả đề xuất phân loại các tín hiệu đã được điều chế thành các tín hiệu điều chế tần số - pha khi ảnh của mục tiêu gần tâm đĩa điều chế và thành tín hiệu điều chế biên độ - pha khi ảnh của mục tiêu ở xa tâm đĩa điều chế Đồng thời, nhóm tác giả áp dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu khác nhau cho mỗi loại tín hiệu điều chế Tuy nhiên, trong công trình này, vấn đề về xử lý nhiễu tạp của tín hiệu điều chế chưa được đi sâu nghiên cứu

Từ những nghiên cứu phân tích trên, ta thấy bài toán ứng dụng các bộ lọc số để xử lý tín hiệu, giải điều chế tín hiệu thu được tại quang trở máy thu sau đĩa điều chế khi có nhiễu tác động hiện vẫn chưa được đề cập và đi sâu nghiên cứu Đây chính là hướng mở của luận án Vì vậy, trong khuôn khổ luận

án, tác giả đề xuất sử dụng các bộ lọc số Kalman phi tuyến để giải điều chế và

ước lượng tín hiệu sai lệch bám sát mục tiêu từ tín hiệu thu được sau quang trở trong điều kiện có nhiễu tác động Hiện nay, với sự phát triển của máy tính tốc

độ cao, việc ứng dụng các bộ lọc số Kalman phi tuyến đã trở nên khả thi ngay

cả đối với các hệ thống thời gian thực rất phức tạp Bài toán này sẽ được đi sâu nghiên cứu ở chương 2 của luận án

1.3.1.3 Phân tích các công trình nghiên cứu nghiên cứu trong nước về tên lửa

tự dẫn hồng ngoại và hệ truyền động bám rotor con quay của bộ định hướng

Cùng với các nghiên cứu về hệ thống điều khiển, xử lý tín hiệu mục tiêu trên bộ định hướng của tên lửa tự dẫn hồng ngoại ở nước ngoài, trong nước tuy không nhiều nhưng cũng đã có các công trình nghiên cứu về hệ thống điều khiển của tên lửa tự dẫn hồng ngoại Trước tiên là để phục vụ công tác sửa chữa, đảm bảo hệ số kỹ thuật cho các loại tên lửa này có trong trang bị quân đội đã bị xuống cấp do bảo quản lâu dài Một số công trình nghiên cứu trong nước về hệ thống điều khiển tên lửa tự dẫn hồng ngoại thụ động của các nhà khoa học ở các đơn vị nghiên cứu trong quân đội đã cho một số kết quả nhất định [13], [15-18]

Trong công trình [13], nhóm tác giả đã nghiên cứu, phân tích hệ thống điều khiển của tên lửa phòng không tầm thấp Igla Trong đó, tập trung vào nghiên cứu mô hình toán và thiết kế, mô phỏng bán tự nhiên các khối điện tử trong hệ thống điều khiển của đầu tự dẫn tên lửa phòng không tầm thấp Igla

Trong công trình [15], tác giả đã tập trung nghiên cứu, xây dựng hệ phương trình động học và mô hình mô tả quá trình chuyển động có điều khiển của thiết bị bay điều khiển một kênh; ứng dụng nguyên lý cực đại giải bài toán điều khiển máy lái; chứng minh luật điều khiển máy lái tuân theo hàm số dấu

mà các nhà khoa học Nga, Mỹ đã ứng dụng để thiết kế hệ thống điều khiển thiết

bị bay điều khiển một kênh Tác giả cũng đã xây dựng phương pháp xác định

hệ số phản hồi thích hợp để giảm dao động, nâng cao chất lượng điều khiển thiết bị bay điều khiển một kênh

Trong công trình [16], tác giả tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của một

số tham số động lực học và tham số kết cấu chính tới độ chính xác và ổn định kèm bám sát mục tiêu của con quay ba bậc tự do khung các đăng trong trên đầu

tự dẫn hồng ngoại của tên lửa có điều khiển Đưa ra một số giải pháp công nghệ trong lắp ráp, căn chỉnh và phương pháp tính toán lựa chọn một số tham số thiết

kế cơ bản của con quay khung các đăng trong làm cơ sở cho thiết kế, chế tạo con quay dạng khung các đăng trong trong tương lai Tuy nhiên, vấn đề nghiên cứu về vòng điều khiển bám sát mục tiêu của rotor con quay trong bộ định hướng đầu tự dẫn tên lửa chưa được đề cập đến trong công trình này

Trong công trình [17], tác giả đã xây dựng thuật toán điều khiển thích nghi để phối hợp sử dụng hai phương pháp điều chế biên độ-pha và điều chế tần số-pha trong bộ định hướng con quay quang điện tử của tên lửa tự dẫn hồng ngoại để nâng cao hiệu quả bám sát mục tiêu trong quá trình tự dẫn Tuy nhiên, trong thực tế việc sử dụng hai đĩa điều chế biên độ-pha và đĩa điều chế tần số-pha trong cùng một bộ định hướng con quay quang điện tử gặp phải khó khăn

về vấn đề giải pháp công nghệ chế tạo đĩa điều chế và vị trí đặt của hai đĩa điều chế này trên bộ định hướng của tên lửa tự dẫn hồng ngoại Bên cạnh đó, bài toán điều khiển thích nghi chuyển chế độ từ điều chế biên độ-pha sang điều chế tần số-pha trong quá trình bay tự dẫn của tên lửa khi tiếp cận mục tiêu cũng vẫn cần phải được tiếp tục nghiên cứu làm rõ hơn khi áp dụng vào thực tế Bởi vì, đầu tự dẫn của lớp tên lửa tự dẫn hồng ngoại thụ động không có kênh đo cự ly mục tiêu

Trong công trình [18], tác giả đã đề xuất giải pháp ứng dụng máy lái điện dạng điều khiển liên tục cho thiết bị bay điều khiển một kênh và xây dựng thuật

toán tổng hợp lệnh điều khiển cho máy lái dạng liên tục này; xây dựng thuật toán tổng hợp lệnh điều khiển thiết bị bay một kênh theo phương pháp dẫn tiếp cận tỷ lệ và phương pháp dẫn ba điểm thẳng hàng; đề xuất giải pháp ứng dụng điều khiển mờ thích nghi để hiệu chỉnh các hệ số truyền lệnh; xây dựng biểu thức xác định tần số quay quanh trục dọc của thiết bị bay một kênh theo yêu cầu kích thước của chủng loại mục tiêu cần tìm diệt

Tổng hợp các công trình nghiên cứu trong nước, chỉ có công trình [16]

tập trung nghiên cứu về mô hình động lực học của rotor con quay 3 bậc tự do khung các đăng trong trên đầu tự dẫn của tên lửa hồng ngoại Vấn đề nghiên cứu về con quay ba bậc tự do khung các đăng ngoài và các ứng dụng của nó trong hệ thống điều khiển tên lửa đã được nhiều tác giả đề cập một cách có hệ thống, tiêu biểu trong [21], [38], [41],… Tuy nhiên, đối với nghiên cứu về việc ứng dụng điều khiển tối ưu cho hệ truyền động bám rotor con quay ba bậc tự

do khung các đăng trong chưa thấy đề cập một cách chuyên sâu trên các tài liệu hiện hành Đây chính là hướng mở cho đề tài luận án tập trung nghiên cứu trong chương 3 của luận án

1.3.2 Bài toán cải tiến phương pháp dẫn tiếp cận tỷ lệ cho lớp tên lửa tự dẫn hồng ngoại

Phương pháp dẫn tiếp cận tỷ lệ đã được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi trong hệ thống điều khiển của TL tự dẫn hồng ngoại vì tính đơn giản trong việc tổng hợp và dễ cài đặt trên thiết bị [1], [6], [57] Phương pháp dẫn tiếp cận tỷ

lệ là giải pháp tối ưu khi tuyến tính hóa các phương trình dẫn với giả thiết vận tốc của tên lửa và mục tiêu là cố định

Trong quá trình bay của TL tự dẫn hồng ngoại, bộ định hướng đầu tự dẫn với con quay rotor nam châm vĩnh cửu được sử dụng để bám sát mục tiêu bay