一種導彈終端侵徹多約束最優制導方法

李強，盧寶剛，王曉輝，王永海，莊凌（北京航天長征飛行器研究所，北京100076）

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一種導彈終端侵徹多約束最優制導方法

李強，盧寶剛，王曉輝，王永海，莊凌
（北京航天長征飛行器研究所，北京100076）

摘要：針對地面目標精確打擊及高效毀傷的需求，提出一種滿足終端位置、落角及攻角約束的最優制導方法。利用比例導引項、落角約束項及加速度約束項保證終端命中多種約束條件，并且設計制導階次實現全程加速度指令的優化分配，保證命中目標時的加速度指令收斂為小量。通過仿真計算驗證了該制導方法能夠滿足精度、落角及攻角等終端約束條件，同時具有更好的加速度指令特性，有利于增強導彈的精確毀傷能力。

關鍵詞：飛行器控制、導航技術；侵徹多約束；最優制導；解析解；制導特性

0　引言

比例導引制導律被證明是一種十分有效的導引方法，能夠實現對目標精確命中［1-2］。在此基礎上發展得到的具有角度約束的彈道成型制導律，同時實現終端位置及落角的控制，進一步改善了制導律特性。隨著作戰任務的復雜化及多樣化，對高價值的地面硬目標及地下、半地下目標提出了侵徹攻擊要求，需要在保證命中精度和落角的同時，盡量減小命中攻角，實現彈體侵徹增加戰斗部的毀傷效果，更好地完成對目標的高效摧毀。

基于比例導引制導律，Zarchan［3］以法向加速度平方積分最小為目標函數，得到了滿足位置及角度約束的終端大落角制導律；Ryoo等［4-5］引入剩余飛行時間得到了滿足終端落角約束的彈道成型制導律，并對制導精度的影響進行了分析；文獻［6-7］在彈道成型制導律的研究基礎上，考慮終端攻角對侵徹攻擊的影響，通過調整性能函數對制導律進行了改進，得到了拓展彈道成型制導律；Lee等［8］引入彈體動力學建立包含彈體法向加速度的狀態方程，得到了滿足終端落角及法向加速度約束的考慮動力學的彈道成型制導律，利用加速度與攻角對應關系實現終端攻角收斂，而尚未對制導指令特性進行詳細分析。只考慮落角約束的制導律可能使得終端攻角較大，導致導彈跳彈、甚至折斷等現象；拓展彈道成型制導律通過控制終端指令收斂間接實現攻角控制，然而彈體存在多個動力學滯后環節，因此方法本質上并不能保證攻角收斂；考慮動力學的彈道成型制導律從方法上保證了終端加速度歸0，但并沒有考慮指令變化的影響，其終端指令仍然很大，使得控制系統處于過渡過程，甚至出現控制飽和，彈體姿態不穩定，這對侵徹攻擊也是十分不利的。因此有必要提出一種侵徹多約束最優制導律，在滿足終端位置、落角及加速度約束條件下，同時保證加速度指令的有效收斂。

本文基于彈道成型制導律的推導思想，在保證終端位置及落角約束條件下，同時對性能函數和狀態變量進行改進，實現終端最優制導律的推廣。引入1階等效動力學環節，增加彈體法向加速度狀態量，約束終端加速度收斂；改進性能函數形式，盡量減小飛行終端加速度指令，從而形成一種滿足終端位置、落角及加速度約束，并且保證終端指令為小量的侵徹多約束制導律。

1　制導律建模與推導

假設導彈沿彈目線方向上的速度分量為常值，則有考慮1階等效動力學滯后的系統模型［9］如圖1所示。

圖1　考慮1階等效動力學的制導系統模型Fig.1 Guidance system model with the first order dynamics

系統矩陣A和控制矩陣B為

對于具有終端位置、落角及加速度約束的制導問題，終端約束表示為

式中：tF為終端時刻；為終端時刻彈目速度；aF為終端時刻導彈的法向加速度。

則終端約束條件

式中：

確定目標函數為

保證終端加速度指令收斂為小量，選取控制權矩陣為時變函數：

式中：tgo=tF-t；n為制導階次。則問題的最優解［10］為

式中：

將（5）式代入（9）式求解得

另外有

式中：

則得到最優控制律為

式中：

式中：vr為導彈飛行速度。則得到適于工程應用的終端侵徹多約束制導律為

2　制導律解析特性研究

由制導律的推導過程可知，對于考慮等效制導動力學的終端多約束制導律，可以將基于任意時刻t的系統狀態x（t）到終端狀態x（tF）的狀態轉移過程表述為從t=0時刻的系統狀態x（t0）到終端狀態x（tF）的狀態轉移過程，則可以得到基于初始狀態的制導指令解析表達形式［12-13］。

從t=0時刻到t=tF時刻，則此時G矩陣為

得到基于初始條件的解析加速度指令為

式中：

研究初始速度指向誤差ε和落角約束qF對指令特性的影響，代入（0）=-vrε，=-vrqF對（18）式進行整理有

加速度指令是由初始位置偏差項aC（t）|y（0）、初始速度指向誤差項 aC（t）|ε、初始彈體加速度項aC（t）|a（0）和終端期望落角項aC（t）|q4部分組成。

F對于不同的制導階次n，引入無量綱時間=t/tF，圖2～圖4給出了各項無量綱加速度指令的變化曲線。

圖2　n=0時各項無量綱加速度指令變化Fig.2 Various dimensionless acceleration commands for n=0

圖3　n=1時各項無量綱加速度指令變化Fig.3 Various dimensionless acceleration commands for n=1

通過對仿真結果的分析可以得到如下結論：

1）終端多約束制導律在保證終端位置及落角精度的同時，還能實現彈體加速度歸0；

2）制導階次n=0時，各項指令在飛行終端逐漸增大；當制導階次n＞0時，各項指令在飛行終端有收斂的趨勢，并且隨著n越大，終端指令的收斂趨勢越明顯；

3）保證飛行終端指令收斂為小量，則要求n＞0，此時指令較小且變化平緩，能夠保證彈體進入穩態，提高制導精度，并且有效減小命中攻角；然而n越大，對初始彈體過載能力的要求越高，并且考慮噪聲影響時對制導性能影響也越大，因此n的選擇需要結合實際情況進行綜合考慮。

圖4　n=2時各項無量綱加速度指令變化Fig.4 Various dimensionless acceleration commands for n=2

3　制導階次對制導性能影響研究

3.1制導權系數特性分析

不同的制導階次n，終端最優制導律的位置、角度和加速度制導權系數Np、Nq和Na隨無量時間的變化曲線如圖5～圖7所示。

圖5　n=0時制導權系數曲線Fig.5 Guidance weight coefficients for n=0

隨著制導階次n的變化，Np、Nq和Na的取值也不同：

1）當n增大時，Np、Nq和Na取值也都增大，制導律增益增加，相應的加速度指令增大；

2）當剩余飛行時間tgo=tF-t較大時，3項制導權系數都基本維持為常值不變，而逐漸接近目標時制導權系數增大趨勢明顯；

3）相比于Np和Nq，Na在制導初期相對較小，基本不起作用，tgo不斷減小，Na則迅速增大，以保證終端的加速度歸0.

圖6　n=1時制導權系數曲線Fig.6 Guidance weight coefficients for n=1

圖7　n=2時制導權系數曲線Fig.7 Guidance weight coefficients for n=2

3.2彈道特性分析

確定典型角度相對關系滿足qF/ε=-2，Tg/tF= 1/40，則有不同 n值時的彈道特性如圖8～圖11所示。

圖8　不同n時無量綱加速度曲線Fig.8 Dimensionless accelerations for different n

從上述的仿真結果可以得到如下結論：

1）終端多約束制導律能夠同時較好地滿足終端位置、落角及加速度約束，達到以指定角度命中目標，并實現終端加速度歸0；

圖9　不同n時無量綱速度曲線Fig.9 Dimensionless velocities for different n

圖10　不同n時無量綱彈道Fig.10 Dimensionless trajectories for different n

圖11　不同n時無量綱視線角曲線Fig.11 Line of sight angles for different n

2）不同n條件下，終端加速度都能夠收斂到0；終端加速度指令在n=0時并不收斂，而隨著n的逐漸增大，終端加速度指令的收斂趨勢增加，終端指令明顯減小，同時初始時刻的指令幅值增大，與解析解分析結論相一致；

3）圖9中，隨著n的增大，初始段的無量綱速度明顯增大，并且在終端都收斂到-2，即y·m（tF）= -2vrε，則q（tF）=-y·m（tF）/vr=-2ε=qF，保證了終端落角精度，與圖11中的無量綱視線角結論相同。

4　仿真對比分析

確定制導階次n=1，將終端侵徹多約束最優制導律與拓展彈道成型及考慮動力學的彈道成型制導律的加速度指令及響應特性進行對比，如圖12和圖13所示。

圖12　不同制導律的加速度指令變化曲線Fig.12 Acceleration command curves for differentguidance laws

圖13　不同制導律的加速度響應變化曲線Fig.13 Acceleration response curves for different guidance laws

從3種不同制導律的仿真結果可以看出，考慮動力學的彈道成型制導律終端加速度響應為0，而加速度指令則較大，并且變化較快，這是由于該制導律只是將實際終端加速度作為約束進行設計，而并沒有考慮終端指令的變化情況；由于從相同的初始狀態變化到終端狀態所需能量是相同的，該制導律的初始段加速度較小，因此導致末段加速度需求較大，對彈體控制提出了較高要求。終端侵徹多約束最優制導律的制導權系數在接近目標前的大部分時間內都基本維持為常數，與拓展彈道成型制導律相同。因此二者在接近目標前有比較接近的指令及響應特性，而在接近命中目標時制導權系數迅速增大，保證了終端加速度指令的收斂。

相比于考慮動力學的彈道成型和拓展彈道成型制導律，侵徹多約束最優制導律能夠控制終端彈體加速度歸零，并且保持彈道終端加速度指令為小值，維持彈體姿態穩定，降低控制飽和的可能，有效實現攻角收斂；同時利用制導權系數的時變特性，實現了制導指令的優化分配，保證了加速度指令在終端具有收斂趨勢，并通過彈體加速度狀態量約束實現了終端加速度歸0.在滿足落點及落角精度下，具有更好的加速度指令及響應特性。

5　結論

對地面高價值硬目標，地下、半地下重要目標的精確打擊和高效毀傷已經成為現代制導武器的核心技術和重要指標，滿足多種終端約束條件，并且保持彈體姿態平穩，是提高導彈侵徹攻擊性能的關鍵。本文提出的終端多約束最優制導方法，通過約束條件推廣和性能函數改進，利用制導階次優化設計，能夠保證終端命中目標位置、落角及攻角約束要求，實現終端制導指令收斂，對精確毀傷制導方案設計具有一定的參考價值。

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中圖分類號：TJ765.3

文獻標志碼：A

文章編號：1000-1093（2016）06-1131-07

DOI：10.3969/j.issn.1000-1093.2016.06.023

收稿日期：2015-11-26

作者簡介：李強（1986—），男，工程師，博士。E-mail：liqiang2568837@126.com

A Terminal Multi-constraint Optimal Guidance Law for Missile

LI Qiang，LU Bao-gang，WANG Xiao-hui，WANG Yong-hai，ZHUANG Ling

（Beijing Institute of Space Long March Vehicle，Beijing 100076，China）

Abstract：A new optimal guidance law is presented to satisfy the terminal constraints for the precise strike and efficient damage to ground target.The proportional-navigation constraint，impact angle and acceleration constraints are used to achieve the terminal acceleration command convergence through the guidanceorder adjustment.The simulation results show that the optimal guidance law can meet the terminal constraints，and the command performance and the attack effect are improved as well.

Key words：control and navigation technology of aerocraft；multiple constraints for penetrating；optimal guidance law；close-form solution；guidance characteristics