大前置角拦截攻击时间控制导引律

王斌， 雷虎民， 李炯， 叶继坤， 李宁波

(空军工程大学 防空反导学院， 西安 710051)

现代战争中，对于威胁程度较大的敌方目标，往往需要采取多弹齐射的方式进行拦截以保证毁伤概率。为了达到这种饱和攻击的战术效果，需要对多枚导弹实现一致性的攻击时间控制，各枚导弹根据指定的攻击时间，各自独立或者相互协同地完成攻击任务。

自从Kim等首次提出攻击时间控制的导引问题以来[1]，各国学者基于不同的导引理念和控制理论，已经取得不少攻击时间控制导引律(Impact Time Control Guidance，ITCG)的研究成果。文献[2]将攻击时间控制导引问题转化为标称弹目距离跟踪问题，利用动态逆理论设计了三维空间的ITCG；文献[3]继续采用文献[2]的弹目距离跟踪思想设计了一种带攻击角度约束的ITCG；文献[4]同样基于跟踪思想设计ITCG，不同的是其跟踪的变量是视线角速率而不是弹目距离；文献[1，5]采用小前置角假设估算剩余飞行时间，利用最优控制理论求解ITCG，但这种导引律只适用于初始前置角较小的情形；文献[6-8]研究了带攻击角度约束的ITCG，基于最优控制理论将导引问题转化为能量最优的2点边值问题，但其数值解法的应用使得导引律缺乏实时性保证；文献[9]基于线性化导引方程推导了一种具有偏置项的比例导引ITCG，偏置项用于调整攻击时间；文献[10]同样设计了具有偏置结构的ITCG，不同的是采用非线性导引模型设计导引律，与文献[5]类似，在推导剩余飞行时间表达式时，其同样采用了小前置角假设；文献[11]设计了一种时变导航比的ITCG，根据不同的攻击时间在线计算所需要的导航比，但算法的实时性难以保证；文献[12-13]采用滑模控制理论设计ITCG，但其剩余时间估计表达式仍然不适用于大前置角拦截；文献[14-15]设计了基于虚拟领弹策略的ITCG，其方法是先构造出一枚可按指定时间攻击的虚拟领弹，然后设计导引律使真实导弹的轨迹跟踪虚拟导弹的轨迹完成攻击时间的控制，不需要估计剩余时间，但其制导指令往往会出现奇异或产生跳变。

综上所述，目前关于攻击时间控制的导引问题研究可大致分为2类：一类是不需要估计剩余时间的ITCG，主要是基于跟踪的思想来实现，但被跟踪的理想曲线通常不易获得；另一类是需要估计剩余时间的ITCG，但剩余时间的获取往往是通过基于小前置角假设的线性化导引方程来估算[16]，以致导引律对大前置角拦截并不适用。针对以上问题，本文研究旨在得到一种可用于大前置角拦截的ITCG，使其不仅适用于打击固定目标，而且可以打击非机动运动目标。导引律的推导利用非线性导引方程，采取基于预测命中点(Predicting Interception Point，PIP)的剩余时间估计方法，结合等效滑模控制理论得到，通过选择合适的滑模面和控制律，使其满足大初始前置角下的拦截要求，并给出了严格的数学证明。仿真结果证明了该导引律的有效性。

1 导引模型

末制导过程的弹目相对运动是俯仰平面和偏航平面的耦合运动，本文为了研究方便，将其简化为2个通道的独立运动。考虑到俯仰平面与偏航平面运动的相似性，本文只研究二维俯仰平面的弹目相对运动，其运动模型如图1所示。

图1 弹目相对运动模型 Fig.1 Missile-target relative motion model

相对运动方程如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

对式(2)求导可得

(5)

整理可得

(6)

(7)

如果把攻击时间t定义为导弹发射时刻到弹目遭遇所用的总时间，则有

t=te+tgo

(8)

2 导引律设计

2.1 滑模面选择依据

定义攻击时间误差

(9)

(10)

(11)

即

(12)

如果在滑模运动的初始阶段，有：

(13)

综上所述，选择式(10)所示的滑模面能够完成任意e≤0，即估计攻击时间小于指定攻击时间情况下的导引控制，这也是下文tgo近似算法的选择依据。

2.2 基于等效滑模控制的导引律设计

剩余时间tgo的经典计算方法是R/Vc，Vc为接近速度，但这种计算方法只适用于导弹前置角较小的情形，对大前置角拦截并不适用。文献[17]给出了一种逆轨拦截剩余时间估计计算方法，无论打击固定目标还是非机动运动目标，都能获得良好的估计精度。其计算式为

(14)

式中：k=VT/VM为目标与导弹的速度比；N为导航比。

由式(14)可以看出，当拦截固定目标k=0且导弹前置角ηM为零或很小时，tgo=R/VM=R/Vc，与经典计算方法相同；当导弹前置角不为零时，则通过修正项1+(ηM-kq)2/(4N-2)来修正估计误差，ηM越大，tgo越长，且式(14)所示的tgo计算方法依赖于VM而与Vc无关，因此即使Vc<0，即在前置角很大的情况下，也能取得较好的估计精度。同时由文献[17]可知，逆轨拦截模式下tgo的估计值要小于实际值，符合2.1节的结论。因此，将利用式(14)给出的tgo计算方法设计大前置角拦截ITCG，以保证滑模面s=0可达。

等效滑模控制算法的一般形式为

(15)

(16)

对式(14)求导结合式(3)可得

(17)

将式(7)和式(17)代入式(16)得

(18)

(19)

(20)

式中：l为不连续控制器的增益。此时制导指令的计算式为

(21)

为了得到不连续控制器的增益l，定义Lyapunov函数为

(22)

对式(22)求导并将式(18)、式(21)代入可得

(23)

取

(24)

式中：m=const>0。

将式(24)代入式(23)，得

(25)

注意到式(25)中，如果

(26)

(27)

3 导引律改进方法

2.2节提到，如果式(26)成立，则所设计的导引律能够严格满足Lyapunov稳定条件，保证大前置角拦截攻击时间可控。下面证明当式(26)不成立，即Lyapunov稳定条件不能严格满足时，大前置角拦截攻击时间控制的可行性及导引律改进方法。

当式(26)不成立时，有

(28)

对式(28)重新整理，可得

(29)

因为k>0，c>0，N一般取3～6，因此式(29)的右端恒大于零。由式(2)可得

(30)

(31)

式中：ε为大于零的常数。

将式(31)代入式(23)，得

(32)

(33)

4 仿真验证

为了验证本文所设计的大前置角拦截ITCG的有效性，本节将对拦截固定目标、拦截非机动运动目标和齐射攻击3种攻击情况进行仿真验证，其中导弹和目标初始状态的选择如表1所示，制导律参数N=3，m=200，ε=0.005，κ=0.000 1；目标静止时取c=1，目标运动时取c=0.01。自动驾驶仪等效为一阶惯性环节，时间常数取0.1 s。

表1 仿真参数值

4.1 拦截固定目标(k=0)

1) 导弹和目标的初值选取同表1，此时前置角ηM=θM0=60°，指定攻击时间分别取40、50、60、70 s进行仿真，结果如图2所示。

从图2(b)可以看出，4种情况下，导弹都能以指定的攻击时间命中目标，时间分别是39.99，49.99，59.99，69.99 s。而由图2(a)可知，指定飞行时间越长，弹道弯曲程度越大，且在每一条飞行弹道的初段，导弹前置角均呈现出增大的趋势，即导弹出现偏离目标飞行的情况，此时剩余飞行时间也逐渐增大(见图2(b))，这主要是由于调整弹道以实现指定时间攻击。而由图2(c)可以看出，为了调整弹道以达到指定攻击时间，导弹需要以较大的法向加速度消除时间误差，随着时间误差修正完成，导弹就能以较小的前置角，较平滑的弹道命中目标，此时法向加速度逐渐减小直至维持在0.5g左右，g为重力加速度。

2) 为验证大前置角拦截时的有效性，在指定攻击时间取50 s，前置角ηM=θM0分别取45°、90°、135°、180°的情况下进行仿真，其余参数同表1，仿真结果如图3所示。

由图3(a)和(b)可以看出，前置角的不同取值并不影响导弹的攻击时间，即使导弹在制导初始时刻速度方向背离目标，即前置角取180°时，导弹仍能以指定的时间准确命中目标。虽然此时初始时间误差较大(攻击时间大约65 s)，但随着弹目距离接近，时间误差很快消除至零，且4种情况下的拦截时间均为49.99 s，说明了所设计的导引律在大前置角拦截时的有效性。从图3(c)可以看出，在制导初段，导弹需要以较大的法向加速度调整攻击时间，而随着弹目距离接近，法向加速度也越来越小，并在弹目交会时刻收敛到零，从而保证了弹道平滑和制导精度。

4.2 拦截非机动运动目标(k=2/5)

1) 目标速度取120 m/s，前置角ηM=θM0=60°，其余仿真条件同表1，取30、40、50、60s作为不同的攻击时间进行仿真，结果如图4所示。

图2 固定目标拦截时不同攻击时间仿真

由图4(a)和(b)可以看出，针对运动目标的拦截，本文所设计的导引律同样有效，4种情况下的仿真结果显示，拦截时间分别为29.75，39.99，49.75，59.99 s，脱靶量依次为0.22、0.07、0.63、0.34 m，满足攻击时间控制和制导精度要求。对导弹剩余时间和法向加速度的变化趋势分析与4.1节拦截固定目标时的1)相同，这里不再赘述。而需要说明的是，此处运动目标的拦截与现有文献不同，现有文献在处理运动目标攻击时间控制的导引问题上采用的是PIP方法，即将运动的目标通过PIP转化为相对固定的目标，再运用针对固定目标的ITCG实施拦截，而本文所设计的ITCG可直接运用于运动目标拦截，制导指令随着目标速度的不同而不同，具体通过参数k进行相应的调整。

图3 固定目标拦截时不同前置角仿真

2) 为验证大前置角拦截时的有效性，目标速度取120 m/s，在指定攻击时间取40 s，前置角ηM=θM0分别取45°、90°、135°、180°的情况下进行仿真，其余参数同表1，仿真结果如图5所示。

图4 运动目标拦截时不同攻击时间仿真

由仿真结果可以看出，针对运动目标的拦截问题，本文所设计的ITCG在大前置角情况下依然适用，包括初始速度指向背离目标的情形，其剩余飞行时间和法向加速度的变化趋势及分析与4.1节拦截固定目标时的2)相同，这里不再赘述。

4.3 齐射攻击(以静止目标为例)

1) 导弹和目标的初值选取同表1，前置角ηM=θM0=60°，假定有4枚导弹从同一位置两两间隔2 s依次发射，从第一枚导弹发射开始计时，指定攻击时间分别取50、49、48、47 s，则相应每枚导弹的攻击时间依次为50、47、44、41 s，仿真结果如图6所示。

图5 运动目标拦截时不同前置角仿真

从仿真结果可以看出，从同一位置依次发射的各枚导弹，均能在指定的时间完成攻击任务，且时间误差均小于0.01 s。而指定的攻击时间越长，弹道弯曲程度越大，调整时间也越长，这与4.1节拦截固定目标时1)中的结论相同。

2) 目标位置取于坐标原点，4枚导弹的位置分别取(-6 000，-8 000) m、(-10 000,0) m、(0,10 000) m、(8 000，-6 000) m，前置角ηM=θM0=60°，假定导弹两两间隔1 s依次发射，从第一枚导弹发射开始50 s时同时命中目标，则相应每枚导弹的攻击时间依次为50、49、48、47 s，仿真结果如图7所示。

图6 相同位置齐射攻击仿真

图7 不同位置齐射攻击仿真

由图7可知，从不同位置发射的各枚导弹也能在同一时间完成齐射攻击任务，且时间误差均小于0.01 s，进一步说明了本文所设计的ITCG运用到多弹饱和攻击上的有效性。

5 结 论

1) 利用非线性导引方程，采用一种逆轨拦截剩余时间估计方法，结合等效滑模控制理论，设计了一种大前置角拦截攻击时间控制导引律(ITCG)，拓宽了导弹的初始发射条件。

2) 无论是打击固定目标，还是非机动运动目标，该导引律都能在指定时间内完成攻击任务。即使在制导初段弹目接近速度为负，即弹目距离越来越大的情况下，也能最终修正弹道以指定的时间准确命中目标。

3) 结合网络拓扑理论，研究拦截机动目标的协同导引律是下一步的工作方向。

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