基于虚拟导引的空空导弹程控弹道设计技术

郑书娥

(中国空空导弹研究院，河南 洛阳　471009)

基于虚拟导引的空空导弹程控弹道设计技术

郑书娥

(中国空空导弹研究院，河南 洛阳471009)

摘要：针对采用弹道成型技术的空空导弹，在程控弹研制阶段验证导弹射程的程控弹道设计，常规的弹道设计方法不能满足实际需要，提出了引入虚拟目标结合扩展比例导引律，实现自动形成控制指令的虚拟导引程控弹道设计，极大地减少了弹道指令拟合的繁琐工作，而且能够准确实现试验目的；该方法在实际工程应用中也得到了验证，在空空导弹研制过程中，具有很强的普适性，可在工程研制过程中广泛使用。

关键词：程控弹道；虚拟导引；程控指令；弹道设计；成型弹道；空空导弹

程控弹研制及发射试验是空空导弹研制过程中完成控制系统设计的里程碑式阶段性标志[1]，在这个过程中，需要进行程控弹道设计以便全面验证与导弹控制系统相关的各项性能，其中导弹的动力射程是程控弹阶段需要验证的主要性能之一。程控弹道设计主要是根据期望验证的导弹性能，生成一系列参考指令，作为控制回路的参考信号，从而获取导弹的动态特性，达到验证目的。在空空导弹设计中，程控弹道设计方法[2]包括程序姿态角法、程序过载法、程序弹道法以及程序高度法，目前应用最多的是前两种方法，尤以程序过载法为多。但是，随着空空导弹性能的提高，弹道成型技术作为中远距空空导弹增程的一项先进技术正被普L遍使用[3-5]，这样以来，对在程控弹阶段验证导弹射程的程控弹道设计提出了很高的要求，很难通过程序过载法或程序姿态法设计出满足要求的弹道。为此，寻求简单的程控指令设计方法，在程控弹研制期间具有非常重要的意义，尤其是对于快速确定弹道进而分析是否达到验证目的十分有利。

本文针对采用弹道成型技术的空空导弹在程控弹阶段验证导弹射程的程控弹道设计，提出了引入虚拟目标结合扩展比例导引律，自动形成控制指令的虚拟导引程控弹道设计，不仅可以大大降低程控弹道设计难度，同时达到在程控弹研制阶段验证导弹增程的关键技术解决情况的目的。数字仿真结果与空中试验结果表明：基于虚拟导引的程控弹道设计方法有效、工程可行，可以在采用空空导弹研制过程中广泛使用。

1弹道成型制导律

为了实现远射程的战术技术指标，新型中远距空空导弹普遍进行弹道优化设计与制导律设计，采用类似抛物线的成型弹道[6]，提高导弹的飞行高度，使导弹在大气密度较低的高空飞行一段时间，减小导弹能量消耗，从而达到提高导弹射程的目的。对于中远距空空导弹而言，采用弹道成型技术后，射程增加可达20%以上。但是，对于空空导弹而言，一方面要确保控制系统能够稳定正常工作，空气舵要具有足够的操纵能力，其飞行高度不能太高，另一方面，要确保对空中目标的攻击能力，需要时刻根据弹目相对运动形成制导指令，牵引导弹飞向目标。因此，往往在导弹方案设计阶段就形成了初步制导律方案，明确采用弹道成型与扩展比例导引律相结合的弹道成型制导律，闭合战技指标。

对于采用弹道成型技术的导弹，在战术技术指标要求射程的特定攻击条件下，通常进行弹道优化设计，不仅满足增加射程的需求，在攻击时间、导弹末速方面往往也具有很明显的优势。

2程控弹道设计

2.1　程序过载法设计缺陷

在设计验证射程的程控弹道时，采用常用的程序过载法进行设计，要达到与采用弹道成型制导律一致的射程及弹道优化效果，需要进行繁琐的数字仿真来确定过载指令的大小与时间，拟合制导弹道的指令，形成随时间变化的过载指令函数(n=f(t))，在程控弹试验时实现程控飞行弹道。这样造成的直接结果是简单地函数拟合，不仅缺乏充分的理论支撑，同时还显得十分盲目，即便经过大量的仿真，也不一定同时获得与成型弹道一致的射程、时间、末速等优化结果，而且也不适应弹道条件变化的情况，实际试验条件往往存在较大的波动范围，一旦弹道条件发生变化，很有可能需重新进行设计，造成工作反复，缺乏延续性与可扩展性。

2.2　虚拟导引法及实现

目前虚拟导引法的研究很多，大多用于特定的弹道规划[7-10]中，虚拟目标的设计直接影响弹道规划的好坏。对于空空导弹研制过程的具体验证目的而言，虚拟目标的设计相对要简单很多，因为其相关指标往往是有明确的具体要求，针对具体要求其目标运动特性往往也是指定的，因此，只需根据指标需求设计具有相应运动能力及特性的虚拟目标。在虚拟目标一定的前提下，借用相关的制导规律，由即时计算的弹目相对运动位置与相对速度及其他相关参数，便可形成相应的制导指令，计算公式简单表述如下：

这样，采用虚拟导引法需要做的工作就是在程控弹弹上软件中引进相关的弹道成型制导律，设定相应的虚拟目标，将程控指令的设计转化为制导指令的自动生成，只要在相应的过载约束范围内保证导弹正常工作，导弹就能够按照期望的轨迹飞行，大大降低了通过弹道拟合法设计程控指令的难度，减少盲目繁杂的仿真工作。

由于最大射程指标表征空空导弹的最大作战使用包络[11]，主要取决于导弹的动力射程，对于采用复合制导体制的导弹，还受到中末制导交接班性能的影响。采用虚拟导引法的另一个好处就是在程控弹阶段不仅验证了导弹最大动力射程的满足情况，而且可以考虑中末交接班性能的限制，验证采用成型弹道制导律进行增程的技术可行性与工程可实现能力，为导弹后期转入制导弹研制阶段制导律的详细设计提供有力的技术支持，技术继承能力强。

2.3　仿真验证

以采用弹道成型技术的某空空导弹[3]为例，在高度10 km上，采用常规弹道时其迎头最大射程仅75 km，采用弹道成型技术后同样条件下最大射程可达109 km，战技指标明确要求该条件下的最大射程不小于100 km。在该导弹的程控弹研制期间需要验证该条件下最大射程指标的满足程度。由于最大射程指标是经过弹道成型技术优化设计后才实现的，如果按照常规程序过载法进行程控弹道设计，只能验证其常规弹道的最大射程75 km，并不能满足100 km的战技指标要求。在该条件下的最大攻击距离弹道，其常规弹道与成型弹道的飞行高度对比如图1所示，飞行马赫数对比如图2所示，成型弹道的过载指令如图3所示。

由于成型弹道的过载指令是按照实时的弹目相对运动形成的，其制导指令与发射条件的关联程度较松，即使实际发射条件有所偏离，对试验结果影响也较小。

在进行该弹道的程控指令设计时，如果采用常规的程序过载法进行程控指令设计，需要按照与成型弹道一致的弹道进行程控指令的时间拟合，需要进行大量繁琐的仿真才能达到较高的拟合程度。如果存在较大偏离，则其最大攻击距离弹道将位于常规弹道与成型弹道之间，无法达到验证采用成型弹道后最大射程指标的目的。除此之外，由于拟合后的程序过载指令对发射条件不具有适应性，实际试验时因为发射条件的偏离，会造成试验结果的很大差异，当发射条件偏离略大时，可能达不到相应的试验目的。

基于上述情况，在进行程控弹道设计，直接采用虚拟导引法，利用弹道成型制导律形成制导指令作为程控指令，用来控制导弹程控飞行，从而达到试验目的，同时达到验证弹道成型技术工程可行性的目的。

图1　不同弹道导弹飞行高度对比

图2　不同弹道导弹飞行马赫数对比

图3　成型弹道的过载指令

3工程应用

虚拟导引法不仅可应用在验证空空导弹最大射程的程控弹研制试验中，也可设定特定目标采用虚拟导引法验证相关技术的解决程度，甚至用来设计回收程序，在发射试验中进行试验弹回收从而获取完整全面的试验数据。在新型武器系统研制初期验证机弹分离性能或者针对特定试验场地发射试验的试验弹研制中，也可采用虚拟导引技术。因此，虚拟导引技术因其便利的指令生成能力和强大的技术继承能力，在空空导弹研制过程具有广泛的应用空间及应用需求。

以在某特定试验场内进行多次发射试验为例，试验弹的安全落地区域如图4中虚长方形框。由于每次发射试验的发射速度与发射位置均不同，按照常规的程控弹道设计，需要针对每个发射条件进行程序过载指令设计，即便如此，仿真得到的试验弹在试验区内的落地点有很大散布(如图4中的A点)，某些散布点已经位于安全落区的边界附近，由于真实情况与仿真结果都有差异，仿真得到的如此散布结果，造成试验安全风险很高。为降低风险确保试验安全，根据相关工程经验，设置相应的虚拟目标[12-14]，采用虚拟导引法形成程控指令，控制导弹飞行至安全落地区域内与虚拟目标相遇(图4中C点)。这样，虚拟导引法可根据导弹的实际运动与设定虚拟目标的相对运动，即时形成控制指令引导导弹飞行至安全区域内，不受多次试验发射条件变化的影响，，也不受每一次试验条件偏离标称条件的影响。

图4中B点为实际试验试验弹与虚拟目标的遇靶点(实际遇靶点与C点几乎重合，图4中为了显示放大了误差)，可以看出相遇点得到精准控制，虚拟导引技术工程可行，效果明显。

图4　安全落地区域与落点散布

4结论

通过采用虚拟导引法进行程控弹道设计，把程控弹研制阶段的导弹程控指令生成与制导弹阶段制导指令的形成统一起来，不再需要针对特定的弹道设计程控指令，将主要工作统一到成型弹道制导律的设计上，实现了程控弹弹道指令设计的自动化。对于采用弹道成型技术的空空导弹而言，实现了提前验证关键技术解决情况的目的。这种方法不仅对于采用弹道成型制导律的导弹设计具有重要的工程应用价值，而且在空空导弹研制过程中，具有很强的普适性，可在工程研制过程中广泛使用。

参考文献：

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(责任编辑周江川)

收稿日期：2014-12-24

作者简介：郑书娥(1975—)，女，硕士，高级工程师，主要从事导弹总体设计与仿真研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.07.004

中图分类号：TJ761.1

文献标识码：A

文章编号：1006-0707(2015)07-0013-04

本文引用格式：郑书娥.基于虚拟导引的空空导弹程控弹道设计技术[J].四川兵工学报，2015(7):13-15.

Citation format:ZHENG Shu-e.Design Method of Program Trajectory Based on Virtual Guidance for Air-to-Air Missile[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(7):13-15.

Design Method of Program Trajectory Based on Virtual Guidance
for Air-to-Air Missile

ZHENG Shu-e

(China Airborne Missile Academy，Luoyang 471009，China)

Abstract:In the development of air-to-air missile adopting the shaping-trajectory technology, the conventional program trajectory design method cannot fulfill the material need to validate the maximal range of missile. This paper proposed a method to employ the expansive proportional guidance law with virtual target and to design program trajectory with the automatic formation of virtual guidance program instruction. And the fussy job to approach the trajectory program instruction was reduced significantly, further more this design may implement the test intention. This method is validated in the factual engineering application example and may be used widely in the development of air-to-air missile by reason of strong and all-pervading applicability.

Key words:program trajectory; virtual guidance; program instruction; trajectory design; shaping-trajectory; air-to-air missile

【装备理论与装备技术】