基于扩张状态观测器的反鱼雷鱼雷迎面拦截制导律

杨惠珍



基于扩张状态观测器的反鱼雷鱼雷迎面拦截制导律

杨惠珍

(西北工业大学 航海学院, 陕西 西安, 710072)

基于雷目相对运动方程, 把迎面拦截问题描述成具有终端角约束的最优控制问题, 针对鱼雷自导头难以测量视线角速率的难题, 提出了一种基于扩张状态观测器的目标视线角速率实时在线估计方法, 同时估计出目标机动引起的不确定干扰量, 并基于线性化的侧向运动方程求解出反鱼雷鱼雷舵角控制指令, 从而实现了含有干扰补偿的迎面拦截最优制导律。仿真结果表明, 与传统的比例导引律相比, 该最优制导律具有很好的迎面拦截效果。

反鱼雷鱼雷; 扩张状态观测器; 迎面拦截制导律; 终端角约束; 最优控制

0 引言

反鱼雷鱼雷(anti-torpedo torpedo, ATT)是反导系统概念在水下战场的拓展应用。然而, 水下环境远比空间要复杂的多, 反鱼雷鱼雷的研制在自导、控制、动力和引信等方面面临诸多难题。制导导引律的设计是实现成功拦截的关键要素之一。

由于导弹自导系统可以直接测量弹目视线角的变化率, 因此, 比例导引及其拓展方法是导弹拦截制导律的常用方法, 相关研究成果非常多。然而, 鱼雷自导头安装在鱼雷头部, 其探测范围受到一定的限制, 且声学探测精度不高, 目前可测量的物理量仅有距离或方位, 使得比例导引等先进的制导律在ATT上难以实现工程应用。

本文提出了一种基于扩张状态观测器的ATT迎面拦截制导律。基于相对运动方程, 建立了ATT迎面拦截问题的终端角约束最优控制模型, 设计了扩张状态观测器对制导律所需的视线角变化率, 并对目标机动引起的干扰量进行估计, 根据最优控制律获得法向加速度信息, 然后利用ATT线性化水平面动力学方程求解出控制舵角, 从而实现了一种含干扰补偿的ATT迎面拦截最优制导律。

1 ATT拦截过程数学模型

图1 水平面内的雷目相对运动示意图

反鱼雷鱼雷的运动学模型为

鱼雷控制加速度是由控制回路实现的, 即由舵机的变化实现。参照文献[5], 在一定假设条件下鱼雷的侧向运动具有如下的线性形式

目标来袭鱼雷的运动学模型为

雷目相对运动模型为

其中

2 基于扩张状态观测器的ATT迎面拦截制导律

2.1 具有终端角约束的最优导引律

为了使速度损失最小且满足终端角约束, 取系统的性能指标为

根据极小值原理, 系统最优解为

2.2 估计和干扰量

扩张状态观测器(extended state observer, ESO)是一种不依赖系统传递关系描述, 仅通过系统输入输出实现系统状态和干扰量估计的数字算法[8]。

对系统(6)引入第3个扩张状态

2.3 基于ESO的拦截导引律

根据上述分析, 本文研究的基于ESO的反鱼雷鱼雷迎面拦截导引系统的原理可由图2表示。

图2 基于扩张状态观测器的反鱼雷鱼雷迎面拦截导引系统原理图

3 仿真结果与分析

图3 来袭鱼雷匀速直线运动时ATT的拦截弹道

图4 来袭鱼雷匀速直线运动时ATT的弹道倾角

表1 来袭鱼雷匀速直线运动时的命中参数

图5 来袭鱼雷蛇形机动时ATT的拦截弹道

图6 来袭鱼雷蛇形机动时ATT的弹道倾角

表2 来袭鱼雷机动时的命中参数

4 结束语

本文提出了一种基于扩张状态观测器的ATT迎面拦截制导律。该制导律利用扩张状态观测器对ATT无法测量的视线角变化率和目标机动相关干扰量进行实时估计, 从而实现了类似比例导引的迎面拦截最优制导律, 且该制导律含有干扰补偿项, 因此拦截效果明显好于比例导引。

[1] 詹致祥. 鱼雷制导规律及命中精度[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 1995.

[2] 严卫生, 任章, 徐德民, 等. 迎面拦截导引律及其应用研究[J]. 西北工业大学学报, 2000,18(4): 616-620.

Yan Wei-sheng, Ren Zhang, Xu De-min, et al. A Head-on Impact Variable Structure Guidance Law[J]. Journal of Northwestern Polytechnical Univesity, 2000, 18(4): 616- 620.

[3] 刘宇, 原建平, 侯朝焕. 水下自导武器导引律研究[J]. 兵工学报, 2008, 29(4):483-486.

Liu Yu, Yuan Jian-ping, Hou Chao-huan. Research on the Guidance Law of Underwater Autoguide Weapon[J]. Acta Armamentari, 2008, 29(4): 483-486.

[4] 王新宏, 刘庆, 刘建国. 基于相遇区域的反鱼雷鱼雷拦截弹道[J]. 鱼雷技术, 2013, 21(4): 241-245.

Wang Xin-hong, Liu Qing, Liu Jian-guo. Intercept Trajectory of Anti-Torpedo Torpedo Based on Meeting Area[J]. Torpedo Technology, 2013, 21(4): 241-245.

[5] 徐德民. 鱼雷自动控制系统[M]. 西安: 西北工业大学, 2001.

[6] 李宪强, 周军, 葛致磊. 可拦截机动目标的终端角度约束制导律研究[C]//2013全国兵器科学与技术学科博士生学术论坛, 2013: 680-684.

[7] 赵汉元.飞行器再入动力学与制导[M]. 长沙: 国防科技大学出版社, 1997.

[8] 韩京清. 自抗扰控制技术[M]. 北京:国防工业出版社, 2008.

[9] 王志强, 吴嘉澍, 郭寒军. 专家自控扰控制器设计[C]//中国控制与决策会议, 2008: 1761-1763.

[10] Zeng Wen-fei, Yan Ling. The Parameter Setting and Application Study of ADRC Based on Immune Genetic Algorithm[C]//2010 IEEE International Conference on Intelligent Computing and Intelligent Systems(ICIS): 2010: 183-186.

(责任编辑: 杨力军)

Extended State Observer-Based Head-on Intercept Guidance Law for Anti-Torpedo Torpedo

YANG Hui-zhen

(College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

According to the equations of relative movement between anti-torpedo torpedo(ATT) and incoming torpedo, the head-on interception problem is described as an optimal control problem with finial angle constraint. Because the angular rate of line-of-sight is difficult to be obtained by homing system of ATT, an extended state observer is designed for estimating the angular rate and the value of uncertain disturbance caused by incoming torpedo maneuvering, and the control rudder angle can be calculated by solving the linear horizontal dynamical equations of ATT. Hence, the optimal guidance law with disturbance compensation is implemented. Simulation results show that the proposed optimal guidance law gains better head-on interception performance than the traditional proportion guidance law.

anti-torpedo torpedo; extended state observer; head-on intercept guidance law; finial angle constraint; optimal control

TJ630.33; TJ765

A

1673-1948(2014)03-0179-05

2013-12-02;

2014-02-16.

国防科技重点实验室基金资助(9140C230404130C23084).

杨惠珍(1974-), 女, 博士, 副教授, 主要研究方向为水下航行器控制与仿真.