CN102700727B - 一种基于速度控制的对空拦截飞行器制导方法 - Google Patents

Abstract

本发明为基于速度控制的对空拦截飞行器制导方法，属于对空拦截飞行器的制导律研究领域。第一步：根据卡尔曼滤波对目标运动位置进行预测；第二步：对飞行器与目标的遭遇点位置进行设计；第三步：根据第二步设计的遭遇点位置计算速度、发射时间和发射角度；第四步：飞行器发射后，如果目标运动状态发生改变，需对遭遇点的位置是否更新进行判断；第五步：最终飞行器在遭遇点位置与目标相遇。本发明将对目标速度方向进行控制和对速度大小进行控制两种手段相互结合，并利用目标运动预测技术，遭遇点设计技术，最终实现对目标的精确锁定。

Description

一种基于速度控制的对空拦截飞行器制导方法

技术领域

本发明涉及一种对空拦截飞行器制导方案设计，属于对空拦截飞行器的制导律研究领域。

背景技术

现代对飞行器的各种控制技术总的来说主要是对飞行器的速度方向进行控制。控制手段主要是应用斜喷管发动机，扰流片的控制以及应用舵控制等方法。这些方法总的来说，主要是对飞行器速度方向进行控制，该控制方式优点是其控制技术相对简单，具有产生连续变化控制力的能力，以及飞行器控制设备相对简单等，然而，该方式可能增大了弹道的曲率，对飞行器过载能力具有较高要求，制导控制效率低，信息利用率低，不利于飞行器精确命中目标。

随着变推力发动机、阻力环、附加攻角等技术日益成熟，对速度大小进行控制的技术成为学者研究的热点。变推力发动机是通过改变发动机推力大小来改变飞行器的速度大小，对飞行器速度进行控制；阻力环是通过打开或收起飞行器头部附近的阻力环，实现对飞行器阻力大小的控制，进而对飞行器的速度进行控制；附加攻角是通过迭加一个与原攻角方向垂直的交变附加攻角，以达到减小速度，并使增加的总升力相互抵消，不改变飞行器原来的落点位置，实现对速度大小的控制。利用这些技术，可实现对弹道的有利规划，以较低的法向过载需求实现目标的精确命中。

发明内容

现有技术仅局限在应用斜喷管发动机，扰流片的控制以及应用舵控制等方法对速度方向进行控制，而未将速度大小控制引入制导方法的设计中。本文提出一种基于速度控制的对空拦截飞行器制导方法，将对目标速度方向进行控制和对速度大小进行控制两种手段相互结合，并利用目标运动预测技术，遭遇点设计技术，最终实现对目标的精确锁定。

本发明是通过以下技术方案实现的:

该基于速度控制的对空拦截飞行器制导方法，包括以下步骤：

第一步：根据卡尔曼滤波对目标运动位置进行预测。

第二步：对飞行器与目标的遭遇点位置进行设计：首先构造二次型性能指标函数：

J(u(·))＝F(v_t,P,f_K,u)

其中，v_t为第一步中根据卡尔曼滤波预测的目标速度，P为命中概率，f_K为末端可用法向过载，u为控制信息，即为遭遇点的x坐标，假定发射点为坐标原点；

然后应用最优控制方法，性能指标函数取为最小值，如下式所示：

$J\left(u^{*}(\·)\right)=\underset{u(\·)}{\min }J\left(u(\·)\right)$

最优控制x＝u^*＝F^*(v_t,P,f_K)即为遭遇点距离发射点x坐标；

最后根据第一步卡尔曼滤波对目标运动轨迹的预测，根据x求解遭遇点的高度坐标H，则获得遭遇点位置A（x，H）；

第三步：根据第二步设计的遭遇点位置计算速度、发射时间和发射角度：首先将发射方向定为对准遭遇点位置，发射角度

然后根据发射点与遭遇点之间的对应关系和飞行器的动力学模型计算飞行器的速度和飞行器到遭遇点所需时间为t_m；

第四步：飞行器发射后，如果目标运动状态发生改变，需对遭遇点的位置是否更新进行判断：如果目标仅是速度大小发生变化，而速度方向未发生改变，则遭遇点位置不用更新；如果目标运动方向发生改变，则对遭遇点的位置重新进行预测和设计，并根据遭遇点位置的设计对发射时间和发射角度进行重新设计；

第五步：最终飞行器在遭遇点位置与目标相遇。

第四步所述的目标如果仅是速度大小发生变化，而速度方向未发生改变时，根据卡尔曼滤波对目标运动位置重新进行预测，根据目标速度大小的变化，通过安装拖曳装置，变推力发动机、阻力环及附加攻角方法改变飞行器的速度大小，使飞行器在原遭遇点位置与目标相遇。

第四步所述的目标如果运动方向发生改变时，通过斜喷管发动机、扰流片及舵控制方法改变飞行器的速度方向，或通过安装拖曳装置，变推力发动机、阻力环及附加攻角方法改变飞行器的速度大小，或者两者皆改变，以实现对飞行器速度矢量的改变，使飞行器能够在遭遇点与目标相遇。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于，将速度大小控制与速度方向控制结合起来引入制导方案的研究中，通过将目标轨迹预测，遭遇点的预测，与速度控制结合，提出了一种制导方法，这种制导方法对飞行器过载能力具有较低要求，制导控制效率高，信息利用率高，命中精度高。

附图说明

图1为遭遇点位置选定示意图；

图2为目标运动轨迹示意图；

图3为对空拦截飞行器速度方案；

图4为飞行器对空拦截示意图。

具体实施方式

下面根据附图对本发明作进一步介绍。

本发明的基于速度控制的对空拦截飞行器制导方法，包括以下步骤：

第一步：根据卡尔曼滤波对目标运动位置进行预测。

目标的滤波与预测是估计当前和未来时刻目标运动参数（如位置、速度和加速度）的必要技术手段。当目标做非机动运动时，采用基本的滤波和预测方法即可很好的达到目的。当目标发生机动，就需要对基本的滤波和预测方法加以改进以求能够更加有效的解决问题。故采用标准卡尔曼滤波方法实现对非机动运动的预测，采用自适应卡尔曼滤波方法实现对机动运动的预测。详见（严浙平，黄宇峰.基于卡尔曼滤波的动目标预测[J].应用科技，2008.10）

第二步：对飞行器与目标的遭遇点位置进行设计，遭遇点设计的原则是：

（1）遭遇点应该在飞行器的有效杀伤区域内；

（2）遭遇点不能太远，否则目标运动状态改变的可能性增大，对遭遇点位置进行更新的可能性随之增大，加大了精确命中目标的难度，飞行器到达遭遇点时的末速度变小，弹道末端的可用法向过载变小，不利于飞行器精确命中目标；

（3）遭遇点也不能太近，遭遇点离飞行器发射位置太近，可能仅有一次拦截机会，如果飞行器没有能够有效毁伤目标，将会造成重大事故隐患。

故需在杀伤区内合理地选择遭遇点，确保精确锁定并毁伤目标。

为设计遭遇点，构造二次型性能指标函数：

J(u(·))＝F(v_t,P,f_K,u)

其中，v_t为根据卡尔曼滤波预测的目标速度，P为命中概率，f_K为末端可用法向过载，u为控制信息，即为遭遇点的x坐标（这里假定发射点为坐标原点）。

应用最优控制方法，性能指标函数取为最小值，如下式所示：

$J\left(u^{*}(\·)\right)=\underset{u(\·)}{\min }J\left(u(\·)\right)$

最优控制x＝u^*＝F^*(v_t,P,f_K)即为遭遇点距离发射点x坐标。

根据第一步卡尔曼滤波对目标运动轨迹的预测，根据x求解遭遇点的高度坐标，则获得遭遇点位置A（x，H）。

第三步：根据第二步设计的遭遇点位置对速度方案、发射时间和发射角度进行设计；

如图1，在遭遇点位置选定后，将发射方向定为对准遭遇点位置，发射角度

然后根据发射点与遭遇点之间的几何模型和飞行器的动力学模型设计出飞行器的速度方案，飞行器到遭遇点所需时间为t_m。

设目标到遭遇点前为匀速直线运动，速度为V_t，目标初始位置到遭遇点的距离为D_t，飞行器到遭遇点所需时间为t_m，则飞行器的发射时间

第四步：飞行器发射后，如果目标运动状态发生改变，需对遭遇点的位置是否更新进行判断。如果目标仅是速度大小发生变化，而速度方向未发生改变，则遭遇点位置不用更新，只需根据卡尔曼滤波对目标运动位置重新进行预测，根据目标速度大小的变化，通过安装拖曳装置，变推力发动机，阻力环，及附加攻角方法改变飞行器的速度大小，即可使飞行器在原遭遇点位置与目标相遇。如果目标运动方向发生改变，则需对遭遇点的位置重新进行预测和设计，并根据遭遇点位置的设计对发射时间和发射角度进行重新设计，并通过斜喷管发动机，扰流片，及舵控制方法改变飞行器的速度方向，或通过安装拖曳装置，变推力发动机，阻力环，及附加攻角方法改变飞行器的速度大小，或者两者皆改变，以实现对飞行器速度矢量的改变，使飞行器能够在遭遇点与目标相遇；

第五步：最终飞行器在遭遇点位置与目标相遇。

下面以对空拦截飞行器为例说明本发明技术方案：

发射位置为原点建立坐标系，假定时间t=0时，目标坐标为（3000m，1000m），以初速200m/s沿x轴负向运动，之后目标做机动运动，在8s时刻目标速度突变为100m/s，如图2所示。

（1）应用卡尔曼滤波根据目标当前运动状态预测目标的运动轨迹，亦即每一时刻目标的位置；

（2）取性能指标函数J(u(·))＝F(v_t,P,f_K,u)，其中目标速度v_t＝200m/s，命中概率P>90%，末端可用法向过载f_K与控制信息u相关，令性能指标函数最小，可以得到最优控制x＝u^*＝F^*(v_t,P,f_K)＝1000m，H＝1000m。故遭遇点坐标A为（1000m，1000m）；

（3）将发射方向定为对准遭遇点位置，发射角度为

根据发射点与遭遇点之间的几何模型和飞行器的动力学模型设计飞行器的速度方案（初始速度为0，经过2s速度达到353.5m/s，后以353.5m/s的速度向着遭遇点作匀速运动），故飞行器到遭遇点位置所需时间t_m＝5s，设计发射时间为

（4）在t＝5s时，飞行器沿发射角度发射，2s后速度由0升到353.5m/s，保持速度沿直线飞行，这样飞行器可以在目标运动状态不变的情况下在遭遇点与目标相遇。

（5）当t=8s时，目标速度突变为100m/s，当这一运动状态被侦测后，需修改作战方案。由于目标速度方向未发生改变，经判断，遭遇点位置不需更新，仅需要通过变推力发动机及阻力环等手段将飞行器速度从353.5m/s在2s内降为117.8m/s，即可使飞行器在遭遇点与目标相遇。速度方案如图3所示，图4为飞行器对空拦截示意图，图中，A点为设计的遭遇点。

Claims (2)

1.基于速度控制的对空拦截飞行器制导方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：根据卡尔曼滤波对目标运动位置进行预测；

第二步：对飞行器与目标的遭遇点位置进行设计：首先构造二次型性能指标函数：

J(u(·))＝F(v_t,P,f_K,u)

其中，v_t为第一步中根据卡尔曼滤波预测的目标速度，P为命中概率，f_K为末端可用法向过载，u为控制信息，即为遭遇点的x坐标，假定发射点为坐标原点；

然后应用最优控制方法，性能指标函数取为最小值，如下式所示：

$J\left(u^{*}(\·)\right)=\underset{u(\·)}{\min }J\left(u(\·)\right)$

最优控制x＝u^*＝F^*(v_t,P,f_K)即为遭遇点距离发射点x坐标；

最后根据第一步卡尔曼滤波对目标运动轨迹的预测，根据x求解遭遇点的高度坐标H，则获得遭遇点位置A（x，H）；

第三步：根据第二步设计的遭遇点位置计算速度、发射时间和发射角度：首先将发射方向定为对准遭遇点位置，发射角度然后根据发射点与遭遇点之间的对应关系和飞行器的动力学模型计算飞行器的速度和飞行器到遭遇点所需时间为t_m；设目标到遭遇点前为匀速直线运动，速度为V_t，目标初始位置到遭遇点的距离为D_t，则飞行器的发射时间

第四步：飞行器发射后，如果目标运动状态发生改变，需对遭遇点的位置是否更新进行判断：如果目标仅是速度大小发生变化，而速度方向未发生改变，则遭遇点位置不用更新；只需根据卡尔曼滤波对目标运动位置重新进行预测，根据目标速度大小的变化，通过安装拖曳装置、变推力发动机、阻力环及附加攻角方法改变飞行器的速度大小，使飞行器在原遭遇点位置与目标相遇；如果目标运动方向发生改变，则对遭遇点的位置重新进行预测和设计，并根据遭遇点位置的设计对发射时间和发射角度进行重新设计；

第五步：最终飞行器在遭遇点位置与目标相遇。

2.如权利要求1所述的基于速度控制的对空拦截飞行器制导方法，其特征在于，第四步所述的目标如果运动方向发生改变时，通过斜喷管发动机、扰流片及舵控制方法改变飞行器的速度方向，或通过安装拖曳装置，变推力发动机、阻力环及附加攻角方法改变飞行器的速度大小，或者两者皆改变，以实现对飞行器速度矢量的改变，使飞行器能够在遭遇点与目标相遇。

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