关键词：
多弹协同
最优控制理论
剩余飞行时间
最优制导律
“领弹-从弹”协同制导架构
摘要：
现代战争作战环境异常复杂,呈现陆、海、空、天立体化形态,其中导弹作为战略武器,是作战体系的重要组成部分。但是现代日益完善的反导系统使单枚导弹很难突破。因此,多弹协同作战系统成了研究重点,通过与其他导弹协作,完成多种作战任务,实现导弹群体作战效能最大化,能够以复杂多变的机动形式和强劲有力的突防能力,打击重要目标。本文以多弹协同制导律为核心,开展基于最优控制理论的多弹协同制导律研究,主要内容如下:
1.基于“双面”法的三维弹目相对运动模型研究。根据导弹的弹道倾角,在两种纵向平面中选取合适的纵向平面,建立三维弹目相对运动方程,该方法称为“双面”法。通过“双面”法建立的三维弹目相对运动模型,避免了解算过程中出现“大数吃小数”现象。通过数字仿真,发现“双面”法不仅能避免出现“大数吃小数”现象,而且能确保模型能够支持导弹全方位打击不同目标运动模式下的目标。
2.基于最优控制理论,设计了逐步最优制导律和带有攻击角度控制的最优制导律。为了使制导律满足终端脱靶量和攻击角度的约束,在末端设置约束条件,基于线性二次型最优控制理论,将状态变量和控制变量的二次型函数积分设为性能指标,并利用哈密顿—雅可比方程,来求解最优制导律表达式,得到了逐步最优制导律。为了简化计算,在性能指标中去除期望值为0的终端脱靶量,得到带有攻击角度控制的最优制导律。根据三维弹目相对运动模型,对制导律进行仿真实验,仿真结果表明两种最优制导律的角度控制效果要优于偏置导引律,且脱靶量较小,弹道较为平滑,证明了两种最优制导律角度控制的优越性,有助于后续协同制导律设计。
3.针对导弹开启末制导时初始前置角过大或者前置角的变化幅度较大的问题,设计了适用于多种导弹制导律的三维前置角剩余飞行时间估计方法。首先,在三维弹目相对运动模型基础上,利用弹目相对运动关系方程和比例导引控制方程,得到估计值表达式。根据视线角速度变化来选择合适内框角和使用中位值平均滤波法,对前置角进行补偿,降低前置角波动造成的误差。然后,建立三维剩余飞行时间融合架构,使二维剩余飞行时间估计方法能够直接用于三维空间。在仿真实验中,将前置角剩余飞行时间估计方法代入三维剩余飞行时间融合架构,得到三维前置角剩余飞行时间估计方法。仿真结果表明,三维前置角剩余飞行时间估计方法的估计效果要优于其他剩余飞行时间估计方法,能够为最优制导律提供更加准确的剩余飞行时间估计值。
4.基于最优控制理论和“领弹—从弹”协同制导架构,设计了多弹角度与时间协同制导律和多弹最优协同制导律。在无向且连通的通信拓扑结构下,根据动态逆控制理论,结合带有攻击角度控制的最优制导律,设计了多弹角度与时间协同制导律。同时为解决控制能量消耗过大问题,基于最优控制理论和“领弹—从弹”协同制导架构,设计了多弹最优协同制导律。最后,制定想定场景和仿真条件,通过数值仿真,在两种协同制导律都能在一定的仿真条件下,使弹群中所有导弹在1 s内命中目标,并使脱靶量不超过30 m。
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