多临近空间拦截器编队拦截自主协同制导控制技术研究

任　章于江龙

(1．北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院，北京100191; 2．北京航空航天大学 飞行器控制一体化技术国防科技重点实验室，北京100191)

0　引言

临近空间高超声速飞行器一方面可在极短时间内迅速打击数千或上万千米以外的各类重要军事目标，实现全球快速打击；另一方面具有非常规弹道、能突破目前所有的防御系统，突防能力强、机动范围大[1-5]。而且，随着制导控制技术的发展，多高超声速飞行器协同攻击技术也得到进一步的发展[6]。面对临近空间高超声速飞行器的威胁，高精度智能防御与拦截技术亟待突破。多临近空间拦截器编队协同制导控制技术已成为未来国防装备发展的重要方向。

多临近空间拦截器协同制导控制系统需要具备五方面的能力：1)协同探测能力[7]，提供信息获取保障；2)协同感知/认知能力[8]，提供信息处理保障；3)协同决策/规划能力[9]，提供管理决策保障；4)组网编队能力[10-11]，提供协同制导保障；5)协同控制能力[12]，提供分布式控制保障。多临近空间拦截器协同制导控制系统是一个复杂的系统，为了保证精确拦截，需要对现有的防空反导系统从探测、决策规划、指控、制导控制与评估各子系统进行升级与再设计。然而，目前对于多临近空间拦截器协同制导控制的研究尚处于起步阶段，已有成果大都针对于各个子系统进行独立的研究[7-12]，并未从整体上把握多临近空间拦截器协同制导控制总体系统的技术难点以及各子系统之间的协调配合。

本文首先梳理了高超声速飞行器以及多临近空间拦截器编队系统的发展现状；其次，结合研究现状以及未来发展趋势归纳总结了多临近空间拦截器协同制导控制所面临的技术难点与挑战；在此基础上，提炼出多临近空间拦截器自主协同制导控制中的6个关键科学问题；最后，探讨了多临近空间拦截器编队自主协同制导控制的几项可行技术。

1　发展现状与发展趋势

1.1　高超声速飞行器发展现状

高超声速飞行器具有极高的军事价值，目前受到国际上军事大国、强国的极端重视。20世纪50年代中期，超声速燃烧试验的成功以及超燃冲压发动机概念的提出带来了高超声速飞行器发展的第一个高峰。

20世纪90年代中期以来，美国启动了多个高超声速飞行器的研究计划。特别是进入新世纪年后研究进程加速，多项关键技术取得重要突破，目前已进入关键技术攻关和试飞验证阶段。1)天基的“猎鹰”高超声速飞行器计划[13]。该计划的验证机为HTV-1、2、3。其中HTV-2分别于2010年4月22日和2011年8月13日试验，但试飞连续失败。自此，美国DARPA已经决定不再进行HTV-2的后续试验。2)“黑燕”高超声速飞行器Future-X计划[14]，验证机为X-37B。X-37B不仅仅是小型航天飞机，有能力对敌国卫星和其他航天器采取军事行动，且具有全球快速打击能力。X-37B目前已经连续3次成功试飞，是美军最高军事机密之一。3)高超声速冲压巡航导弹Hyper-X计划[15]，验证机为X-51A。X-51A的3次试验中，有1次成功，2次失败。4)先进高超声速武器(AHW)计划[16]。2011年11月17日，AHW试飞成功，最高速度达8Mach，飞行了约3700km，击中了太平洋上美国陆军里根测试场。

俄罗斯临近空间高超声速飞行器的研发思路较为保守，普遍采用技术成熟的飞机和导弹作为发射平台，技术风险小，分别有针-31计划以及IGLA计划[17]。这两种飞行器均可与战略导弹白杨结合。作为新型战略前端，前段为典型的助推滑翔弹道，在30几千米处超燃冲压发动机点火，以复杂弹道飞向目标。同样，美国新一代战略导弹前端由纯弹道再入系统改为弹道机动飞行器(TSV)并提出了三型方案(TSV-1、2、3)。美、俄新型战略导弹前端将改为可大范围机动的高超声速飞行器，再入大气层后大范围机动飞行，突防能力、威慑力大大增强。

高超声速武器在不远的将来将装备服役，现有防御系统和武器的防御空间和任务将发生革命性的变化。对临近空间高超声速目标的拦截防御迫在眉睫。

1.2　多临近空间拦截器编队系统发展现状

针对高超声速飞行器无固定弹道、长时间大范围持续机动、突防能力强的特点，传统的爆破杀伤已经难以拦截这一类飞行器，在临近空间对高超声速目标杀伤，需要以直接碰撞的方式进行拦截。从国内研究来看，多临近空间拦截器编队协同拦截主要有两种研究思路。一是建立拦截概率模型[18-20]，利用动态规划以及优化理论得到最优目标分配策略以及最优拦截策略；二是设计具体的协同拦截制导律[21-24]，得到拦截器过载的具体表达式，实现精确拦截。从现有的成果来看，多临近空间拦截器系统的研究大多是理论结果，而工程实践较少，且理论成果主要集中在末制导方面。在工程实践方面，2015年8月，美国导弹防御局正式启动了多目标拦截器(MOKV)发展计划[25-26]，被外界认为是美国导弹防御技术发展进入了新阶段。MOKV计划的初衷是拦截分导式多弹头洲际导弹，但是其技术体系与关键问题与多拦截器协同拦截类似，其协同探测、协同决策、协同控制的成果可以在多临近空间拦截器编队自主协同制导控制的研究中得到相关借鉴。

2　技术难点及挑战

高超声速目标在临近空间长时间超高速飞行，无固定弹道，长时间大范围持续机动，突防能力强，使得地基雷达、弹载雷达对其探测、捕获、跟踪困难，获取的运(机)动信息少，无法实现逆弹道拦截，拦截成功率降低。此外，在临近空间对高超声速目标杀伤，需要采用直接碰撞的方式进行拦截，对单枚拦截器的拦截能力提出了极大的要求。一般讲单枚拦截器对此类目标的拦截成功率很低。为保证拦截成功概率，就必须采用多枚拦截器协同拦截高超声速目标。因此，多拦截器协同制导控制技术成为实现对临近空间高超声速目标有效拦截的关键技术。综合目前学者们对高超声速飞行器的理论研究以及国内外工程研究现状，笔者认为拦截临近空间高超声速飞行器主要存在以下六项技术难点与挑战。

2.1　高超声速飞行器特殊的飞行模式与弹道加大了拦截难度

目前，可能成为临近空间高超声速武器的主要有两种高超声速飞行器。一种是由火箭助推至大气层外或大气层高层，获得相当的速度后再入大气层长距离滑翔机动飞行的滑翔机动飞行器，其合适的滑翔飞行高度在70～30km左右。其弹道主要有亚轨道弹道、助推滑翔弹道和周期性跳跃式弹道等。侧向机动主要采用BTT方式，可机动的范围达1000 km以上。大约在距离目标400km，高度40～30km时采用BTT-180°快速下压方式进入最后的攻击弹道，此时飞行马赫数一般在10左右。

另一种有可能成为进攻性武器的高超声速飞行器为采用超燃冲压发动机为动力的乘波体气动外形的高超声速巡航飞行器。据研究，采用乘波体气动外形的高超声速巡航飞行器在34km的高度上其升阻比可达到最大，这种飞行器的侧向机动一般都采用BTT转弯机动，最大可用法向过载和侧向过载约为1～3g。高超声速巡航飞行器的飞行模式通常为高超声速巡航直线飞行，较少进行横侧向机动飞行，巡航飞行的高度大致在30～40km之间的空域，速度保持在5Mach以上。如果需要进行横侧向飞行时，通常进行BTT转弯，转弯半径通常在数十千米。

这些特殊的飞行模式与弹道形式使得地基雷达、弹载雷达对其探测、捕获、跟踪十分困难，导致获取的运(机)动信息少，进而影响拦截成功率。

2.2　超高的飞行速度提高了对防御系统预警能力的时间性要求

临近空间高超声速飞行器的飞行速度极快，拦截高超声速目标要求预警系统尽可能及早发现目标，以争取拦截时间。

对于现有的防空反导系统，一方面，目标的超高速度将大大降低预警系统的发现概率和发现距离。据初步估算，一部雷达发现飞行速度为Ma=3的目标的概率大致为0.3；而当目标的飞行速度增大1倍达到Ma=6，其发现概率则下降1个数量级或更低。另一方面，防御雷达的伺服跟踪回路特性是能否成功截获和跟踪目标的关键环节。由于临近空间高超声速飞行器超高的飞行速度和复杂的弹道，伺服跟踪回路要满足宽频带和低噪声这2个矛盾的要求，回路设计面临严峻挑战。

2.3　超高的速度和特殊的环境增大了末段精确探测的难度

末端寻的导引头体制对临近空间拦截器至关重要。对于横越速度特别大的高超声速目标，导引头对目标的快速捕获和稳定跟踪都存在极大的困难。就目前的导引头技术水平而言，其安装方式还不能采用捷联安装方式，须采用稳定平台安装导引头。但横越马赫数高达5～10的高超声速目标对导引头稳定平台的跟踪速度也提出了超高要求。目前跟踪速度最快的导引头稳定平台，装备AIM-9X空空导弹上，但是用于实战中，这种跟踪速度能否保证导引头稳定跟踪高超声速飞器仍需进一步研究与验证。

2.4　实现大气层内直接碰撞杀伤给制导技术带来巨大挑战

临近空间高超声速武器超宽的作战空域、超高的飞行速度、超大的机动范围、特殊的机动模式等决定了传统的导引技术难以应用于或直接应用于临近空间拦截器。

传统的防空导弹一般采用爆炸毁伤方式，允许的脱靶量与战斗部的爆炸毁伤半径直接相关。由于临近空间高超声速目标超高的飞行速度，脱靶量的大小将直接影响毁伤效果，需要导引精度更高，甚至可以实现直接碰撞的导引律。然而，可实现直接碰撞的制导律往往用在空间作战的KKV一类的拦截弹上，要在大气层内实现直接碰撞目前尚存在较大困难。

2.5　拦截大横越速度目标需要更多更精确的制导信息

传统的制导律，如比例导引以及改进的比例导引律等，使用视线转率作为主要信息，构成自寻的末制导导引律。要稳定跟踪横越马赫数高达5～10的高超声速目标，对导引头稳定平台的跟踪速度和稳定性也提出了严苛要求。特别是对于体积小、空间狭窄的临近空间拦截器，跟踪回路的伺服频带要满足宽频带和低噪声这2个矛盾的指标要求非常困难，造成导引头很难提供精确的目标视线转率信号。如果导引头不能提供足够精确的视线转率，还需要从探测图像中提取相关的制导信息来构成导引律，才能实现对超高速目标的直接碰撞杀伤。

2.6　临近空间防御对拦截弹的机动过载与过载控制提出了超高要求

研究表明，临近空间高超声速武器长时间飞行的空域在20～40km之间，此空域大气相对稀薄，飞行器气动舵面效率低，响应时间长，再加上拦截弹弹翼很小，能提供的气动力很有限，所以在此空域作战的临近空间拦截弹一般须采用直接侧向力/气动力复合控制以提高机体动态响应速度。但调节速度慢的气动舵面在高超声速飞行条件下无法完成变化太剧烈、太迅速的作动，只适合作飞行稳定机构；而调节速度快的直接力执行机构则适合完成快速响应姿态调整动作，尽快产生需用过载。但在此空域内还存在所谓侧向喷流与前方来流交互干扰影响的现象，不仅是其效率大大降低，还会对飞行器的飞行控制产生严重影响。要实现精确控制尚存困难。

综合上述拦截高超声速飞行器的技术难点，可以看出高超武器的机动过载远大于弹道导弹，给现有的反弹道导弹系统拦截高超目标带来了很大的挑战，必须针对临近空间高超声速目标开展特有的拦截系统研究。其次，单拦截器拦截临近空间高超声速目标成功率极低，必须采用多拦截器协同拦截，才能实现对临近空间高超声速目标直接碰撞有效杀伤。而且，拦截临近空间高超声速目标相关的许多技术问题机理尚不清楚，严重缺乏相关理论与方法支撑，而相关基础理论研究面临着新的挑战。拦截器自主协同制导控制机理与机制、理论与方法研究尚处于探索阶段，可供借鉴的研究成果极少，已成为有效拦截高超声速目标的技术瓶颈。这也使得多拦截器自主协同制导控制理论与方法研究势在必行。

3　关键技术问题

多拦截器协同制导控制技术成为实现对临近空间高超声速目标有效拦截的关键技术。根据现有的高超拦截问题的研究可以看出，当高超声速目标在安全距离以外的自主飞行滑翔(巡航)段，以一定方式(1箭3～4枚KKV)将多拦截器发送到可自主探测目标的阵位上(距目标200km)形成编队进行协同拦截是一种有效的手段。以多临近空间拦截器编队攻击构成的多临近空间拦截网络作为研究对象，因此，需要重点研究的是末制导段的多拦截器编队攻击自主协同制导控制技术与方法。

3.1　分布式多层次高速拦截网络建模机理与特性分析方法

对分布式多层次高速拦截网络的建模描述和特性分析是实现协同感知、制导与控制的基础。临近空间高速拦截器自身有非常复杂的动力学和运动学特性，另外还有复杂的耦合、非线性和不确定等特征。多个拦截器组成编队网络后，如何在兼顾单拦截器自身特性和网络拓扑关系的基础上对整个拦截网络进行综合建模是十分复杂的问题。进一步，如何对拦截网络和拦截目标组成的多拦截器-目标闭环系统进行建模更具挑战性。此外，如何对拦截网络的能观性、能控性、目标运动特性、拦截可行域等进行分析也是有待解决的难题。

3.2　多约束条件下分布式自主实时协同决策与协同任务规划技术

根据任务需求，需要对多拦截器的时变编队队形及飞行弹道进行设计和优化。时变编队队形的设计要有利于中段协同感知和末段的协同制导最佳阵位的形成，同时还要兼顾拦截器自身的动力学约束和多拦截器之间避碰的约束。在实际飞行过程中，多拦截器如何根据战场的实时态势，对编队队形和飞行弹道进行在线决策，形成调整和优化的分布式方案是非常具有挑战性的难题。在战场态势复杂的情况下，多拦截器如何自主地、智能地进行在线决策与规划也是一个需要研究的重要课题。尤其在针对多拦截目标的情况下，需要根据多拦截器的分布情况，实时划分攻击梯队和子编队队形，以分组编队的形式实现对多个拦截目标的同时攻击。

3.3　受限或部分信息条件下分布式多层次协同感知机理与方法

高超声速目标运动信息的获取是实现对高超声速目标协同拦截的前提。采用多拦截器编队的分布式多层次协同感知模式提高对高超声速目标的搜索能力和识别能力。但协同拦截编队中的每一个拦截器自身所能感知的目标运动信息都是受限或部分信息，但对整个网络又是冗余的。通过拦截攻击过程中各拦截器之间的信息通信共享冗余信息，利用这些受限或部分信息，再兼顾地面信息，采用信息融合协同感知跟踪方法获取更丰富的高超声速目标运动信息是需要攻克的关键科学问题。

3.4　严苛多约束高速拦截网络分布式协同制导机制与方法

高速拦截网络中各结点飞行速度与目标相当，高超声速飞行时飞行走廊变窄，弹道约束增多，导致可供选择的拦截队形和理想弹道减少。此外，网络拓扑在飞行过程中也会发生变化导致拓扑切换的存在。在上述条件下，既要考虑编队中各拦截器同时到达目标点，又要考虑有利于探测目标运动信息，实现在临近空间对目标的动能击杀。多拦截目标情况下，拦截器需要以分组编队的形式对多拦截目标同时击中，如何为各个分组生成分布式协同制导律是需要进一步探索的关键科学问题。

3.5　多约束条件下自组织时变编队协同控制技术与方法

协同控制策略为各拦截器保持或快速改变拦截队形、沿理想弹道协同攻击目标提供可靠保证。高速拦截网络具有无中心控制结点、任务严重耦合、信息受限和不确定性等特点，需要在目标不机动时保持攻击编队队形，机动情况下改变攻击编队队形，且这些改变和变化必须在多约束条件下快速完成。多拦截目标时，需要每个分组都能快速形成并保持需要的时变队形。多约束条件下，如何使拦截器既可保持攻击队形，又可控制攻击队形迅速变化，以保证对单/多高超声速目标的有效拦截是非常关键的科学问题。

3.6　编队拦截多层次效能评估体系设计技术与优化方法

临近空间多拦截器编队攻击过程复杂，组成要素多，耦合严重。如何对编队拦截的效能进行科学评估是很有挑战性的难题。协同作战的中末段存在探测、识别、跟踪、击中等典型环节，对应有识别率、跟踪精度、脱靶量或命中率等指标。如何对关键要素进行量化建模并对关键要素之间的影响关系进行分析，然后构建出单个指标的评估模型是对整个编队拦截网络作战效能进行评估的前提。进一步，如何基于搭建的评估体系，对编队拦截过程中的关键参数，如编队队形和网络拓扑，进行优化进而提升整体的作战效能也是有意义的关键问题。

4　总结与展望

本文分析了临近空间高超声速飞行器的潜在威胁，总结了拦截高超飞行器所面临的技术难点与挑战。传统的拦截方式已经不能对高超武器进行拦截，本文提出，多拦截器协同制导控制技术成为实现对临近空间高超声速目标有效拦截的关键技术。针对拦截器编队攻击自主协同制导控制技术，分别从建模、决策规划、感知、制导、控制以及评估6个大方面提出需要解决的关键科学问题。

针对协同感知、协同制导、协同控制3个层面进行了一些研究，并尝试给出一些解决思路。在协同感知方面，针对高超声速目标的联合探测、跟踪与识别问题，可采用基于一致性的容积非线性滤波跟踪算法[27]，实现算法的并行运算。在协同制导方面，可以把协同制导问题转化为动目标围捕问题，构造了分布式分组协同围捕控制器[28]，进而可以获得实现单/多动目标围捕的充要/充分判据。在协同控制方面，可利用时变编队控制方法[29-30]，综合考虑通信时延、拓扑切换、执行机构饱和、非线性环节等约束，进而得到一系列分布式的时变编队控制算法，获得算法收敛的判据。

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