CN107179021A - 一种驾束制导体制下多弹协同高精度制导控制方法 - Google Patents
一种驾束制导体制下多弹协同高精度制导控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种驾束制导体制下的多弹协同高精度制导控制方法，采用多弹协同制导的方式，将后续发射的导弹跟踪导引波束中心线过程中形成的跟踪误差发送给前续发射的导弹，前续发射的导弹将接收到的跟踪误差作为开环误差补偿指令，引入到其控制系统中，能够大幅度提高制导控制系统的型别，有效解决导弹跟踪导引波束中心线时，容易造成导弹脱靶甚至飞出导引波束而失控的问题；同时在完成跟踪误差的修正后，又根据前续发射的导弹获取的目标位置计算制导站跟踪目标过程中形成的目标指示误差，然后把目标指示误差发送给后续发射的导弹，让后续发射的导弹根据目标指示误差修正其跟踪的导引波束中心线，从而大幅度消除目标指示误差对导弹命中精度的影响。
Description
技术领域
本发明属于导弹制导控制技术领域，尤其涉及一种驾束制导体制下的多弹协同制导控制方法。
背景技术
驾束制导体制的基本工作原理是，由制导站跟踪目标并向目标发射导引波束，导弹在导引波束中飞行，由弹上制导系统敏感其在波束中的位置，形成导引指令控制导弹沿波束中心线飞行。驾束制导体制已成为现代精确制导技术的重要组成部分，目前应用较广泛的是雷达驾束制导和激光驾束制导。
然而，现有驾束制导系统很难应用于精确攻击远距离高机动目标，主要影响因素有两个方面：
(1)制导站在控制导引波束跟踪目标过程中，存在目标指示误差。该误差主要包括两部分，分别是制导站目标角跟踪装置中心线跟踪目标过程中存在的角跟踪误差和导引波束中心线与目标角跟踪装置中心线之间的角误差。目标指示误差产生的原理决定了导弹跟踪目标的线偏差会随目标距离的增大而成比例放大。例如：在跟踪距离10公里目标时，0.5密位的目标指示误差，将使导弹的跟踪线偏差达到5米。而对于距离为3公里的目标，导弹的跟踪线偏差只有1.5米。
(2)驾束制导体制对应的导引规律为三点法导引，其导引原理决定了在目标高机动运动时，导弹跟踪导引波束中心线会存在稳态跟踪误差，该误差的大小取决于制导控制系统的设计与目标的运动特性。这部分误差不仅会增大导弹的脱靶量，甚至会使导弹飞出导引波束而失控。
上述两个因素严重制约了驾束制导体制在武器装备研制中的应用。现代战争对制导武器的作战能力要求越来越高，建立一个有机的多弹协同作战系统从而增强驾束制导体制下导弹对远距离高机动目标的打击能力，已成为武器装备研制和使用部门急需解决的问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种驾束制导体制下的多弹协同制导控制方法，该方法通过前续发射的导弹与后续发射的导弹之间进行误差信息的共享，能够大幅度提高驾束制导体制对远距离高机动目标的命中精度。
一种驾束制导体制下多弹协同制导控制方法，包括以下步骤：
步骤1：制导站捕获目标，然后发射导引波束跟踪目标；
步骤2：按设定的时间间隔，向导引波束中依次发射N发导弹；
步骤3：后续发射的导弹将其跟踪导引波束中心线过程中形成的跟踪误差发送给所有的前续发射的导弹；
步骤4：前续发射的导弹接收到所有后续发射的导弹的跟踪误差后，将这些跟踪误差作为开环误差补偿指令，引入到其制导控制系统中对自身的跟踪误差进行补偿；
步骤5：当完成跟踪误差补偿的第一发前续发射的导弹接近目标时，由弹上捷联探测器获取目标在其弹体坐标系下的位置信息，然后基于该位置信息解算出目标在导引波束中的位置，再根据目标在导引波束中的位置得到导引波束中心线的目标指示误差，并将目标指示误差发送给所有后续发射的导弹；
步骤6：后续发射的导弹根据目标指示误差对导引波束中心线进行修正，并跟踪修正后的导引波束中心线飞行，直到下一发导弹接近目标时，重复步骤5，得到新的目标指示误差，后续发射的导弹根据新的目标指示误差对导引波束中心线进行修正，以此类推，直到所有导弹命中目标，最终实现驾束制导体制下的导弹对远距离高机动目标的高精度制导。
进一步地，所述制导控制系统为纵向制导控制回路系统。
进一步地，N＝3，3发导弹分别跟踪导引波束中心线飞行，且步骤3中后续发射的导弹的跟踪误差具体为：
第3发导弹测量出其跟踪导引波束中心线时的跟踪误差，其理论值为
其中，R(s)为目标运动状态所决定的导弹期望位置的运动规律，为纵向制导控制回路系统的开环传递函数，s为复变量；
第2发导弹测量出其跟踪导引波束中心线时的跟踪误差，其理论值为
进一步地，步骤4所述的跟踪误差作为开环误差补偿指令，引入到制导控制系统中对自身的跟踪误差进行补偿，具体为：
第1发导弹的制导控制系统引入跟踪误差E3(s)和E2(s)对自身的跟踪误差进行补偿后，得到第1发导弹跟踪导引波束中心线时的理论跟踪误差E1(s)为：
进一步地，步骤5所述的基于该位置信息解算出目标在导引波束中的位置，再根据目标在导引波束中的位置得到导引波束中心线的目标指示误差，具体为：
假设目标在弹体坐标系O1x1y1中相对于坐标系原点O1的距离为d，方位角为λ；其中弹体坐标系原点O1与弹上捷联探测器中心重合，O1x1轴与弹轴重合且指向导弹运动前方为正方向，O1y1轴与O1x1轴垂直向右为正方向；
在时间间隔Δt＝t2-t1内，目标相对于导弹的位置由T1点运动到T2点，则t1时刻目标在弹体坐标系O1x1y1中的距离和方位角分别为d1、λ1，t2时刻目标在弹体坐标系O1x1y1中的距离和方位角分别为d2、λ2；
假设时间间隔Δt趋于0，则T1点和T2点的连线方向为导弹相对于导引波束中心线运动速度方向的估计值，根据该估计值得到导弹相对于导引波束中心线的相对姿态角θ，具体的：
其中
根据相对姿态角θ，利用公式(5)计算出目标在导引波束坐标系O2x2y2中的位置x2,T和y2,T，其中O2x2y2坐标系的原点位于制导站，O2x2轴与导引波束中心线重合，O2y2轴垂直于O2x2轴，具体的：
其中，L为已知的捷联探测器到导弹驾束制导信息接收机的距离，RM1为接近目标的前续发射的导弹距离制导站的距离，由预先设定的导弹速度方案估算；
最后，根据位置x2,T和y2,T计算目标指示误差Δε，具体的：
进一步地，所述跟踪误差通过弹上数据链发送给所有前续发射的导弹，所述目标指示误差通过弹上数据链发送给所有后续发射的导弹。
有益效果：
当目标进行高动态机动时，单发导弹跟踪导引波束中心线时存在稳态跟踪误差，这会造成导弹脱靶甚至飞出导引波束而失控。本发明采用多弹协同制导的方式，将后续发射的导弹跟踪导引波束中心线过程中形成的跟踪误差发送给前续发射的导弹，前续发射的导弹将接收到的跟踪误差作为开环误差补偿指令，引入到其控制系统中，能够大幅度提高制导控制系统的型别，有效解决导弹跟踪导引波束中心线时，容易造成导弹脱靶甚至飞出导引波束而失控的问题；
同时，本发明在完成跟踪误差的修正后，又根据前续发射的导弹获取的目标位置计算制导站跟踪目标过程中形成的目标指示误差，然后把目标指示误差发送给后续发射的导弹，让后续发射的导弹根据目标指示误差修正其跟踪的导引波束中心线，从而大幅度消除目标指示误差对导弹命中精度的影响；
综上，本发明提供的多弹协同制导控制方法，实现了导弹间误差信息的共享，能够有效地消除制导站跟踪目标引起的目标指示误差以及导弹跟踪导引波束中心线时存在的稳态跟踪误差，从而提高驾束制导体制导弹攻击远距离高机动目标的命中精度，大幅度扩大驾束制导体制在导弹武器装备中的应用范围。
附图说明
图1为本发明多弹协同制导示意图；
图2为本发明导弹典型纵向制导控制系统结构图；
图3为本发明多弹协同跟踪误差补偿结构示意图；
图4为本发明导弹相对姿态角估算示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细叙述。
本实施例以纵向平面内3发导弹协同制导控制的情况为例，如图1所示，为本发明多弹协同制导示意图，当制导站捕获目标并发射导引波束跟踪目标后，以一定的时间间隔向导引波束信息场中发射3发导弹，其中对第1发导弹来说，其后续发射的导弹为第2、3发导弹，没有前续发射的导弹，对第2发导弹来说，其前续发射的导弹为第1发导弹，其后续发射的导弹为第3发导弹，对第3发导弹来说，其前续发射的导弹为第1、2发导弹，没有后续发射的导弹。3发导弹分别跟踪导引波束中心线飞行。如图2所示，以驾束制导导弹典型纵向制导控制回路为例，该系统由超前校正网络和弹体环节构成，其中k为超前校正网络增益，a为分度系数，T为超前校正网络时间常数，a22、a24、a25、a34、a35为弹体动力学系数，V为导弹速度。假设由目标运动状态所决定的导弹期望位置的运动规律由(n为信号阶数，A为输入信号幅值，s为复变量)表示。由系统的开环传递函数可知，该系统为“Ⅱ”型系统，则在R(s)的作用下只有当导弹期望位置的运动规律满足n≤2时，制导控制系统的稳态跟踪误差因此，当目标进行高动态机动时(n＞2)，单发导弹跟踪导引波束中心线时存在稳态跟踪误差，这会造成导弹脱靶甚至飞出导引波束而失控。而采用多弹协同制导的方式可以实现导弹间误差信息共享，从而形成开环误差补偿指令，大幅度提高系统型别，有效解决上述问题。
第3发导弹测量出其跟踪导引波束中心线时的动态跟踪误差，然后通过弹上数据链分别发送给第1、2发导弹。第2发接收第3发导弹的动态跟踪误差后形成开环误差补偿指令对制导控制系统误差进行补偿。然后第2发导弹将其跟踪导引波束中心线的动态跟踪误差通过弹上数据链发送给第1发导弹，第1发导弹利用接收到的第2、3发导弹的动态跟踪误差形成开环误差补偿指令补偿其制导控制系统误差，以提高命中精度。由图3可知，第3发导弹的理论跟踪误差为
在第2发导弹的制导控制系统中引入补偿信号E3(s)后，第2发导弹的理论跟踪误差为
在第1发导弹的制导控制系统中引入补偿信号E3(s)和E2(s)后，第1发导弹的理论跟踪误差为
因此，当目标运动规律满足n＜5时，第1、2发导弹跟踪导引波束中心线的稳态误差为
由此可见，在本发明所提出多弹协同制导策略作用下，第1、2发导弹能够对高动态运动的导引波束中心线进行高精度跟踪。
当导弹能够准确跟踪导引波束中心线时，导弹的命中精度主要取决于制导站跟踪目标过程中存在的目标指示误差Δε，如图1所示。为对此误差Δε进行修正，在导弹上安装低成本捷联探测器，此处假设探测器安装在导弹头部，如图1所示，该探测器能够测量出目标在弹体坐标系O1x1y1中相对于坐标系原点O1的距离d和方位角λ。其中弹体坐标系原点O1与探测器中心重合，O1x1轴与弹轴重合指向导弹运动前方为正，O1y1轴与O1x1轴垂直向右为正。假设在一个短的时间间隔Δt＝t2-t1内，目标和导弹的相对运动使得目标相对于导弹的位置由T1点运动到T2点，如图4所示，弹上捷联探测器测得t1时刻目标在弹体坐标系O1x1y1中的距离和方位角分别为d1、λ1，t2时刻目标在弹体坐标系O1x1y1中的距离和方位角分别为d2、λ2；在Δt充分短，即趋于0的情况下，可以认为导弹姿态相对导引波束保持不变，此时，T1点和T2点的连线方向可用来作为导弹相对于导引波束中心线运动速度方向的估计值，而在导弹对导引波束中心线稳定跟踪的情况下，导弹速度方向与波束中心线方向基本一致。由此，可建立导弹相对于导引波束中心线的相对姿态角θ的估计公式：
其中则根据导弹1的目标测量值可以用以下公式计算出目标在导引波束信息场坐标系O2x2y2中的位置x2,T和y2,T，如图1所示，其中O2x2y2坐标系的原点位于制导站，O2x2轴与导引波束中心线重合，O2y2轴垂直于O2x2轴，具体的：
公式中，L为已知的捷联探测器到导弹驾束制导信息接收机的距离，RM1为导弹1距离制导站的距离，可由导弹速度方案估算。根据以上估算公式，可进一步得到目标指示误差Δε的计算公式
导弹1利用弹上数据链将指示误差Δε传给第2发导弹和第3发导弹。由原导引波束中心线和指示误差Δε可以得到修正后的导引波束中心线，第2发导弹和第3发导弹跟踪修正后的导引波束中心线飞行，即可大幅度消除目标指示误差对导弹命中精度的影响。当第1发导弹起爆后，第2发导弹接近目标时，按照上述相同的方法重新计算目标指示误差，第2发导弹将计算得到的目标指示误差传给第3发导弹，对第3发导弹的导引过程进行进一步修正。
由此可见，利用本专利提供的多弹协同制导控制方法，可以有效地消除制导站跟踪目标引起的指示误差以及导弹跟踪导引波束中心线时存在的稳态跟踪误差，从而提高驾束制导体制导弹攻击远距离高机动目标的命中精度，大幅度扩大驾束制导体制在导弹武器装备中的应用范围。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种驾束制导体制下多弹协同制导控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：制导站捕获目标，然后发射导引波束跟踪目标；
步骤2：按设定的时间间隔，向导引波束中依次发射N发导弹；
步骤3：后续发射的导弹将其跟踪导引波束中心线过程中形成的跟踪误差发送给所有的前续发射的导弹；
步骤4：前续发射的导弹接收到所有后续发射的导弹的跟踪误差后，将这些跟踪误差作为开环误差补偿指令，引入到制导控制系统中对自身的跟踪误差进行补偿；
步骤5：当完成跟踪误差补偿的第一发前续发射的导弹接近目标时，由弹上捷联探测器获取目标在其弹体坐标系下的位置信息，然后基于该位置信息解算出目标在导引波束中的位置，再根据目标在导引波束中的位置得到导引波束中心线的目标指示误差，并将目标指示误差发送给所有后续发射的导弹；
步骤6：后续发射的导弹根据目标指示误差对导引波束中心线进行修正，并跟踪修正后的导引波束中心线飞行，直到下一发导弹接近目标时，重复步骤5，得到新的目标指示误差，后续发射的导弹根据新的目标指示误差对导引波束中心线进行修正，以此类推，最终实现驾束制导体制下的导弹对远距离高机动目标的制导。
2.如权利要求1所述的一种驾束制导体制下多弹协同制导控制方法，其特征在于，所述制导控制系统为纵向制导控制回路系统。
3.如权利要求2所述的一种驾束制导体制下多弹协同制导控制方法，其特征在于，N＝3，3发导弹分别跟踪导引波束中心线飞行，且步骤3中后续发射的导弹的跟踪误差具体为：
第3发导弹测量出其跟踪导引波束中心线时的跟踪误差，其理论值为
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其中，R(s)为目标运动状态所决定的导弹期望位置的运动规律，为纵向制导控制回路系统的开环传递函数，s为复变量；
第2发导弹测量出其跟踪导引波束中心线时的跟踪误差，其理论值为
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4.如权利要求3所述的一种驾束制导体制下多弹协同制导控制方法，其特征在于，步骤4所述的跟踪误差作为开环误差补偿指令，引入到制导控制系统中对自身的跟踪误差进行补偿，具体为：
第1发导弹的制导控制系统引入跟踪误差E3(s)和E2(s)对自身的跟踪误差进行补偿后，得到第1发导弹跟踪导引波束中心线时的理论跟踪误差E1(s)为：
<mrow>
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5.如权利要求1所述的一种驾束制导体制下多弹协同制导控制方法，其特征在于，步骤5所述的基于该位置信息解算出目标在导引波束中的位置，再根据目标在导引波束中的位置得到导引波束中心线的目标指示误差，具体为：
假设目标在弹体坐标系O1x1y1中相对于坐标系原点O1的距离为d，方位角为λ；其中弹体坐标系原点O1与弹上捷联探测器中心重合，O1x1轴与弹轴重合且指向导弹运动前方为正方向，O1y1轴与O1x1轴垂直向右为正方向；
在时间间隔Δt＝t2-t1内，目标相对于导弹的位置由T1点运动到T2点，则t1时刻目标在弹体坐标系O1x1y1中的距离和方位角分别为d1、λ1，t2时刻目标在弹体坐标系O1x1y1中的距离和方位角分别为d2、λ2；
假设时间间隔Δt趋于0，则T1点和T2点的连线方向为导弹相对于导引波束中心线运动速度方向的估计值，根据该估计值得到导弹相对于导引波束中心线的相对姿态角θ，具体的：
<mrow>
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其中
根据相对姿态角θ，利用公式(5)计算出目标在导引波束坐标系O2x2y2中的位置x2,T和y2,T，其中O2x2y2坐标系的原点位于制导站，O2x2轴与导引波束中心线重合，O2y2轴垂直于O2x2轴，具体的：
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其中，L为已知的捷联探测器到导弹驾束制导信息接收机的距离，RM1为接近目标的前续发射的导弹距离制导站的距离，由预先设定的导弹速度方案估算；
最后，根据位置x2,T和y2,T计算目标指示误差Δε，具体的：
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6.如权利要求1所述的一种驾束制导体制下多弹协同制导控制方法，其特征在于，所述跟踪误差通过弹上数据链发送给所有的前续发射的导弹，所述目标指示误差通过弹上数据链发送给所有后续发射的导弹。
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