多導(dǎo)彈協(xié)同制導(dǎo)控制方法研究

陳仁通 濮敏惠 張建軍

摘要：隨著反導(dǎo)技術(shù)的快速發(fā)展，綜合一體化的現(xiàn)代防御體系已逐步形成，單枚導(dǎo)彈的突防能力愈發(fā)顯得有限，而多枚導(dǎo)彈通過(guò)信息共享、功能互補(bǔ)，能夠極大地提高突防能力和對(duì)目標(biāo)的攻擊能力，因此，多導(dǎo)彈協(xié)同作戰(zhàn)受到越來(lái)越多的關(guān)注。而多導(dǎo)彈協(xié)同制導(dǎo)與控制方法是多導(dǎo)彈協(xié)同作戰(zhàn)的核心技術(shù)，對(duì)其進(jìn)行研究具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：多導(dǎo)彈；協(xié)同制導(dǎo)；控制方法；研究

1引言

目前，多導(dǎo)彈協(xié)同制導(dǎo)律的設(shè)計(jì)主要有兩種設(shè)計(jì)思路：一是指定理想攻擊時(shí)間，各導(dǎo)彈獨(dú)立采用帶攻擊時(shí)間約束的制導(dǎo)律實(shí)現(xiàn)同時(shí)攻擊目標(biāo)；二是不需指定理想攻擊時(shí)間，各導(dǎo)彈在飛行過(guò)程中通過(guò)彈間數(shù)據(jù)鏈對(duì)攻擊時(shí)間進(jìn)行協(xié)調(diào)，最終實(shí)現(xiàn)同時(shí)攻擊目標(biāo)。第2種基于彈間通信的協(xié)同設(shè)計(jì)思路對(duì)通信條件要求較高，實(shí)際工程中存在通信拓?fù)涮儭⑼ㄐ叛舆t等因素可能對(duì)最終的協(xié)同性能造成較大影響。此外，以上兩種設(shè)計(jì)思路的文獻(xiàn)中均需對(duì)剩余飛行時(shí)間進(jìn)行估計(jì)，而剩余飛行時(shí)間的精確估計(jì)一直是個(gè)難題，它直接影響到導(dǎo)彈協(xié)同作戰(zhàn)的性能。目前的協(xié)同制導(dǎo)律設(shè)計(jì)中，大多數(shù)沒(méi)有考慮導(dǎo)彈自身的動(dòng)態(tài)特性，有的文獻(xiàn)將導(dǎo)彈近似看作1階環(huán)節(jié)，這些都不能真實(shí)反應(yīng)導(dǎo)彈的實(shí)際情況，而導(dǎo)彈的動(dòng)態(tài)特性即對(duì)制導(dǎo)指令的響應(yīng)速度會(huì)對(duì)導(dǎo)彈的協(xié)同性能造成重要的影響。

2多導(dǎo)彈協(xié)同制導(dǎo)的研究現(xiàn)狀

針對(duì)多目標(biāo)攔截的策略，其中多導(dǎo)彈防御是一種有效的攔截方案，多導(dǎo)彈攔截多目標(biāo)就需要進(jìn)行任務(wù)分配，實(shí)現(xiàn)協(xié)同作戰(zhàn)。美國(guó)的多導(dǎo)彈防御計(jì)劃有兩種形式，一是領(lǐng)彈-被領(lǐng)彈（leader-follower）形式，后面的輔導(dǎo)彈分享先導(dǎo)者觀(guān)測(cè)到的信息；二是蜂群（swarm）形式，輔導(dǎo)彈分享母艙所獲得的信息，有研究，將“Leader-Follower”的思想引入了導(dǎo)彈的協(xié)同控制中，領(lǐng)彈向被領(lǐng)彈傳送狀態(tài)參數(shù)，被領(lǐng)彈受領(lǐng)彈的控制，使得被領(lǐng)彈都按照領(lǐng)彈的期望攻擊時(shí)間來(lái)攻擊目標(biāo)，以達(dá)到多導(dǎo)彈時(shí)間協(xié)同導(dǎo)引。

3對(duì)LAMBERT制導(dǎo)方法的研究

導(dǎo)彈采用的是開(kāi)關(guān)式的軌控發(fā)動(dòng)機(jī)，只能給出開(kāi)關(guān)式的控制力，而且所攜帶的燃料有限。結(jié)合導(dǎo)彈的這種特定的控制方式，其中制導(dǎo)方法可以采用Lambert制導(dǎo)策略，這種制導(dǎo)策略根據(jù)選定的預(yù)測(cè)命中點(diǎn)和攔截時(shí)間來(lái)控制導(dǎo)彈的飛行軌跡，其到達(dá)預(yù)測(cè)命中點(diǎn)的時(shí)間是可控的。而且這種Lambert制導(dǎo)策略與速度增益控制方式結(jié)合后，軌控發(fā)動(dòng)機(jī)在給出一個(gè)速度增益的初始修正后就基本不需要再經(jīng)常開(kāi)機(jī)，充分地節(jié)省了能量，可以證明這是一種能量最優(yōu)的制導(dǎo)策略。經(jīng)這種中制導(dǎo)策略與導(dǎo)彈末制導(dǎo)律（例如，變結(jié)構(gòu)制導(dǎo)律）結(jié)合，即當(dāng)目標(biāo)-導(dǎo)彈相對(duì)距離進(jìn)入導(dǎo)引頭探測(cè)距離后轉(zhuǎn)入末制導(dǎo)方式，既可以飛行時(shí)間可控，又可以保證命中精度。在Lambert導(dǎo)引方法中，要選擇一個(gè)導(dǎo)彈命中目標(biāo)的預(yù)測(cè)命中點(diǎn)，這個(gè)預(yù)測(cè)命中點(diǎn)是目標(biāo)飛行彈道上的一點(diǎn)，即某一特定時(shí)刻，目標(biāo)所在的位置。只要預(yù)測(cè)出某同一時(shí)刻，各個(gè)目標(biāo)所應(yīng)該到達(dá)的位置作為預(yù)測(cè)命中點(diǎn)，由于Lambert導(dǎo)引中，導(dǎo)彈到達(dá)預(yù)測(cè)命中點(diǎn)的時(shí)間可控，轉(zhuǎn)入末制導(dǎo)階段后，導(dǎo)彈也基本上仍然按著Lambert制導(dǎo)所設(shè)定的飛行彈道在預(yù)定的時(shí)間命中目標(biāo)，因此，可以保證各個(gè)導(dǎo)彈同時(shí)命中目標(biāo)。這里還需要注意的是軌控發(fā)動(dòng)機(jī)推力控制方法，如下表1所示，沿彈體坐標(biāo)系的oy1軸正向需要輸出推力時(shí)，令3號(hào)軌控發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火；而當(dāng)沿彈體坐標(biāo)系的1oy軸負(fù)向需要輸出推力時(shí)，令1號(hào)軌控發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火。沿彈體坐標(biāo)系的oz1軸正向需要輸出推力時(shí)，則4號(hào)軌控發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火；而當(dāng)沿彈體坐標(biāo)系的oz1軸負(fù)向需要輸出推力時(shí)，令2號(hào)軌控發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火。取推力控制周期為ts，它與導(dǎo)引頭的數(shù)據(jù)更新周期一致，但必須當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，才可以更新控制指令。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，其提供的最大推力為Fgs。

4對(duì)HILL制導(dǎo)方法研究

上一節(jié)主要介紹了Lambert制導(dǎo)方法，Lambert制導(dǎo)方法適用于遠(yuǎn)距離制導(dǎo)，同時(shí)它適合多個(gè)導(dǎo)彈獨(dú)立控制，而不適合飛行過(guò)程中對(duì)導(dǎo)彈之間的位置進(jìn)行微調(diào)。為避免導(dǎo)彈之間的碰撞，有些情況下，是需要對(duì)導(dǎo)彈之間的相對(duì)位置進(jìn)行微調(diào)控制的，這種相對(duì)位置的控制問(wèn)題適合用橢圓軌道C-W方程來(lái)描述，進(jìn)而用橢圓軌道Hill制導(dǎo)方法進(jìn)行相對(duì)軌道控制，這種制導(dǎo)方法特別適用于兩個(gè)飛行器彼此距離較近的情況。針對(duì)多個(gè)導(dǎo)彈同時(shí)達(dá)到各自目標(biāo)的制導(dǎo)問(wèn)題。在導(dǎo)彈和目標(biāo)個(gè)數(shù)很多的情況下，適合在中制導(dǎo)的初始時(shí)刻，將彼此離得近的2-3個(gè)導(dǎo)彈分為一組。組與組之間相對(duì)距離較遠(yuǎn)，在目標(biāo)分配合理的情況下不必?fù)?dān)心組與組之間的碰撞和干擾問(wèn)題。但是，組內(nèi)的導(dǎo)彈可能彼此距離較近，我們可以令其中的一個(gè)導(dǎo)彈為主導(dǎo)彈，而另外1-2個(gè)導(dǎo)彈為輔導(dǎo)彈，對(duì)主導(dǎo)彈采用Lambert制導(dǎo)，而對(duì)于輔導(dǎo)彈則采用下面給出的一種Hill制導(dǎo)策略，令輔導(dǎo)彈在制導(dǎo)終端時(shí)刻達(dá)到預(yù)定的關(guān)于主導(dǎo)彈的相對(duì)位置，該相對(duì)位置就是預(yù)定終端時(shí)刻，輔導(dǎo)彈的預(yù)測(cè)命中點(diǎn)相對(duì)于主導(dǎo)彈的預(yù)測(cè)命中點(diǎn)的相對(duì)位置，則主、輔導(dǎo)彈同時(shí)命中各自目標(biāo)。采用這種主、輔導(dǎo)彈相結(jié)合的制導(dǎo)策略，有利于隨時(shí)控制主、輔導(dǎo)彈彼此之間的相對(duì)位置和相對(duì)速度。針對(duì)某個(gè)輔導(dǎo)彈相對(duì)其所圍繞的主導(dǎo)彈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，主導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)軌道是一條已知的橢圓軌道，把輔導(dǎo)彈相對(duì)其主導(dǎo)彈在軌道面內(nèi)的的相對(duì)運(yùn)動(dòng)重寫(xiě)在這里：

軌道面內(nèi)x和z方向均設(shè)計(jì)采用變結(jié)構(gòu)控制律，即綜合考慮相對(duì)位置和相對(duì)速度的變化來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)啟和關(guān)閉，實(shí)施所謂間歇性的懸?？刂?，以減少發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)啟次數(shù)，節(jié)省能量。另外，針對(duì)軌道面外相對(duì)運(yùn)動(dòng)方程，即

軌道面外相的相對(duì)位置懸?？刂?，只需要保持滾轉(zhuǎn)角和偏航角為零，就很容易利用2號(hào)和4號(hào)軌控發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是，在導(dǎo)彈彈體縱軸方向無(wú)軌控發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，同時(shí)實(shí)現(xiàn)x和z方向的位置懸?？刂?，需要彈體的俯仰角做大角度姿態(tài)調(diào)整，然后通過(guò)1號(hào)和3號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。一般情況下，懸?？刂撇⒉恍枰_控制兩個(gè)導(dǎo)彈之間的相對(duì)位置，而只是需要保持兩者之間的相對(duì)距離大于某個(gè)安全閾值，所示完全可以在不對(duì)x方向相對(duì)位置進(jìn)行控制的情況下，實(shí)時(shí)地計(jì)算出y方向和z方向的相對(duì)位置指令yc和zc來(lái)滿(mǎn)足安全距離。這樣，就不需要進(jìn)行俯仰角的大角度姿態(tài)調(diào)整，而只需保持俯仰角為零。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：32140部隊(duì)）