CN112631328A - 一种多目标协同末制导率方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多目标协同末制导率方法，针对四枚巡飞弹对固定目标进行同一时刻饱和攻击，建立三维动力学方程，采用CPN或CSTG方法设计协同末制导率。发明的有益效果：能使多个无人系统对某一固定目标同一时刻进行饱和打击，增加打击效果，最大限度的摧毁目标；为未来无人系统智能化发展奠定了基础；为多无人系统的集群打击，提供了理论基础和实践参考。

Description

一种多目标协同末制导率方法

技术领域

本发明属于无人机应用技术领域，涉及无人系统，具体涉及一种多目标协同末制导率方法。

背景技术

随着科学技术的发展，多无人系统协同打击在未来战争中凸显了越来越重要。而多无人系统协同制导率是未来多无人系统协同打击的基础与核心。多目标协同末制导 率，可以使得多个带有战斗部的飞行器对统一目同一时刻进行饱和打击，扩大攻击效 果，是未来实现无人作战的关键技术，这种技术与多无人系统协同编队技术，多无人 系统协同轨迹规划技术整合在一起，可以实现异构多无人集群系统打击自主决策与在 线实时轨迹规划。能促进实现未来无人作战智能化，自主化的发展。多目标协同制导 率能最大程度的摧毁目标，结合无人感知，在线轨迹规划，协同编队控制，最大程度 发挥智能作战在未来战争中的作用，减少人员伤亡。对于比较坚硬的固定目标，多目 标协同制导率能使得多个带有战斗部的巡飞器同一时间从不同的角度进行饱和攻击， 打击效果大大增强。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种多目标协同末制导率方法，针对四枚巡飞弹对固定目标进行同一时刻饱和攻击场景需求，分别采用CooperativeProportional Navigation(CPN，协同比例制导)制导方法和Cooperative TrajectoryShaping Guidance(CTSG，协同成形制导)制导方法进行协同末制导律算法设计。

技术方案

一种多目标协同末制导率方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、三维动力学方程建模：

σ定义为：

加速度指令可以表示为：

其中：X_I-Y_I-Z_I代表惯性坐标系；M和T分别代表XFD和目标；R代表目标 与XFD的相对距离，V_m代表XFD的速度，θ_m和

是速度矢量在视线平面投影的夹 角；θ_L和

是在惯性坐标系的视线角；σ代表XFD速度矢量与视线之间的前置角；λ_y和λ_z代表视线角在惯性坐标系下的分量，a_y和a_z代表在纵向和横向平面的加速度指 令；

步骤2：根据上述的模型，采用CPN或CSTG方法设计协同末制导率。

所述CPN设计的末制导率：

其中：k为自行设计的参数，对时间收敛性有影响；R_i(0)和t_goi(0)代表相对距离和剩余时间的初值，ε_i(t)根据网络状态以及拓扑结构形式进行设计，θ_mi和

是速度 矢量在视线平面投影的夹角；

所述网络状态和拓扑结构形式为：

(1)预先设定攻击时间predesign；

(2)集中式协同攻击时间center；

(3)分布式协同攻击时间distributed。

所述CSTG方法设计末制导率：

其中，a_y和a_z代表在纵向和横向平面的加速度指令，V_xy和V_xz为XFD速度在纵向和横向平面内的速度分量，λ_y和λ_z为导弹的视线倾角和视线偏角，

和

为视线角速 率，λ_yd和λ_zd为预先设置的期望视线角。t_go为XFD攻击目标的剩余时间，其估计的 表达式可以表示为：

其中σ是前置角，

是导弹与目标的接近速度，当目标静止时

其中Ω是用来调节剩余时间的变量：

ε＝T_d-t-t_go为期望的剩余时间与真实剩余时间之差，K_N是一个需要设计的调节系数，用于调整导弹剩余时间趋向期望剩余时间的快慢。

有益效果

本发明提出的一种多目标协同末制导率方法，针对四枚巡飞弹对固定目标进行同一时刻饱和攻击，建立三维动力学方程，采用CPN或CSTG方法设计协同末制导率。发 明的有益效果：能使多个无人系统对某一固定目标同一时刻进行饱和打击，增加打击 效果，最大限度的摧毁目标；为未来无人系统智能化发展奠定了基础；为多无人系统 的集群打击，提供了理论基础和实践参考。

附图说明

图1：三维几何关系示意图

图2：预先式CPN制导算法仿真图

图3：集中式CPN制导算法仿真图

图4：通讯拓扑结构(分布式)

图5：期望时间分布式仿真图

图6：CSTG制导律仿真图

图7：仿真图

从图5-图7可以看出，所有DD按照不同时间达到目标点，前后到达时间间隔可 以保证在1s左右，加速度指令相对较小。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

包含如下步骤：

(1)三维动力学方程建模；

(2)协同末制导率设计，在设计协同末制导率时采用了CPN方法设计末制导率 以及CSTG设计末制导率，实例显示，这两种方法都能达到很好的效果；

步骤1，三维动力学方程建模

如图1所示，X_I-Y_I-Z_I代表惯性坐标系；M和T分别代表XFD和目标；R代 表目标与XFD的相对距离，V_m代表XFD的速度，θ_m和

是速度矢量在视线平面投影 的夹角；θ_L和

是在惯性坐标系的视线角；σ代表XFD速度矢量与视线之间的前置角。 λ_y和λ_z代表视线角在惯性坐标系下的分量，a_y和a_z代表在纵向和横向平面的加速度 指令。

三维动力学方程可以建立为：

σ可以定义为：

传统的比例导引法中，加速度指令可以表示为：

N为比例导引比例系数。

步骤2，协同末制导率设计

①CPN方法设计协同末制导率

根据CPN方法原理，选择剩余时间t_go为协调变量，其中t_go可以表示为：

R代表目标与XFD的相对距离，其中

V_m代表XFD的速度，在比例导引法的加速度指令的基础上添加协同项，则协同末制导算法的加速度指令可以表示为：

其中，，a_yi和a_zi代表在纵向和横向平面的加速度指令，a_pyi和a_pzi代表基础的比例导引项，a_cy和a_cz为协同项用于保证所有XFD能同一时间到达目标。一般情况下，a_cy和a_cz可以设计为：

其中，k为自行设计的参数，对时间收敛性有影响；R_i(0)和t_goi(0)代表相对距离和剩余时间的初值。i表示第i个XFD；ε_i(t)可以根据网络状态以及拓扑结构形式进 行设计，一般分为三种情况：(1)预先设定攻击时间predesign；(2)集中式协同攻 击时间center；(3)分布式协同攻击时间distributed。具体可以表示为：

②CSTG末制导率方法设计

基于成型制导律的模型，设计的三维成型制导律的指令加速度为：

其中，a_y和a_z代表在纵向和横向平面的加速度指令，V_xy和V_xz为XFD速度在纵向 和横向平面内的速度分量，λ_y和λ_z为导弹的视线倾角和视线偏角，

和

为视线角 速率，λ_yd和λ_zd为预先设置的期望视线角。t_go为XFD攻击目标的剩余时间，其估计 的表达式可以表示为：

其中σ是前置角，

是导弹与目标的接近速度，当目标静止时

可以看出成型制导律其实是一种扩展比例导引法，相比传统的比例导引法，最大的优 势是可以对最终攻击目标的视线角进行控制。

在传统的三维成型制导律基础上，进行改进得到三维协同成型制导律(CSTG)，CSTG 的加速度指令可以表示为：

其中Ω是用来调节剩余时间的变量：

ε＝T_d-t-t_go为期望的剩余时间与真实剩余时间之差，K_N是一个需要设计的调 节系数，用于调整导弹剩余时间趋向期望剩余时间的快慢。

1.1实例

本节对基于CPN方法和基于CSTG方法设计的协同末制导率算法进行仿真验证。

1.1.1CPN末制导率方法验证

仿真条件设计：XFD速度为40m/s，相对距离为2km。

1)期望时间预先设计

设计的期望攻击时间为51s.

从图2可以的图1和图2仿真结果可以看出所有XFD同时以预先设置的期望攻击 时间到达目标。在图2中可以看到，最初所有的XFD的剩余时间都不同，最终都收敛 到51s，可以证明协同项起到很好的协同效果。从图3和图4中可以看到，整体的指 令加速度信号较小，易于工程实现。

2)期望时间集中式计算

如图3所示，图1和图2仿真结果可以看出所有XFD同时到达目标。在图2中可 以看到，最初所有的XFD的剩余时间都不同，最终都收敛到51s左右，可以证明协同 项起到很好的协同效果。从图3和图4中可以看到，整体的指令加速度信号较小，易 于工程实现。图5表示每一个XFD与集中式计算剩余时间

的误差，可以看到所有 的剩余时间误差都逐渐收敛与0，即所有XFD的剩余时间一致。

3)期望时间分布式计算

通讯拓扑结构可以表示如图4所示。

如图5，图1和图2仿真结果可以看出所有XFD同时到达目标。在图2中可以看 到，最初所有的XFD的剩余时间都不同，最终都收敛到52s左右，可以证明协同项起 到很好的协同效果。从图3和图4中可以看到，整体的指令加速度信号较小，易于工 程实现。图5表示每一个XFD与分布式计算剩余时间

的误差，可以看到所有的剩 余时间误差都逐渐收敛与0，即所有XFD的剩余时间一致。

1.1.2CSTG末制导率方法验证

仿真条件设定：一组传统三维成型制导律与一组协同三维成型制导律进行比对仿真，XFD速度为50m/s，相对距离为2km、2.1km、2.2km，协同期望到达时间为45s。

从图6所示，图1和图2仿真结果可以看出所有XFD同时到达目标。在图2中可 以看到，每个XFD的弹目距离不一样，通过CSTG算法，使所有XFD的弹目距离逐渐收 敛达成一致。从图3同样可以看出经过CSTG的作用，所有XFD的剩余时间逐渐收敛达 成一致，确保所有的XFD可以同时到达目标。图4和图5仿真结果表明，所有XFD都 可以按期望的视线角达到目标。

E、间隔协同攻击方案

比例导引法制导律指令：

在比例导引法的加速度指令的基础上添加协同项，则协同末制导算法的加速度指令可以表示为：

一般情况下，纵向加速度指令a_cy和横向加速度指令a_cz可以设计为：

其中，k为自行设计的参数，对时间收敛性有影响；R_i(0)和t_goi(0)代表相对距离和剩余时间的初值。ε_i(t)可以根据网络状态以及拓扑结构形式进行设计，其中Δt为 期望时间间隔，一般分为两种情况：(1)预先设定攻击时间；(2)集中式协同攻击时 间；

仿真验证：末制导距离设计为2km，DD速度为40m/s，时间间隔为1s，最大脱靶 量为3m。下表给出仿真结束时的最终误差,可以看出误差范围在[-0.1,0.1]以内，基 本满足要求。

序号	剩余时间	前后时间差
			DD1	0.082s	——
DD2	2.988s	0.942s
			DD3	2.046s	0.913s
DD4	1.133s	1.051s

Claims (3)

1.一种多目标协同末制导率方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、三维动力学方程建模：

σ定义为：

加速度指令可以表示为：

其中：X_I-Y_I-Z_I代表惯性坐标系；M和T分别代表XFD和目标；R代表目标与XFD的相对距离，V_m代表XFD的速度，θ_m和

是速度矢量在视线平面投影的夹角；θ_L和

是在惯性坐标系的视线角；σ代表XFD速度矢量与视线之间的前置角；λ_y和λ_z代表视线角在惯性坐标系下的分量，a_y和a_z代表在纵向和横向平面的加速度指令；

步骤2：根据上述的模型，采用CPN或CSTG方法设计协同末制导率。

2.根据权利要求1所述的多目标协同末制导率方法，其特征在于：所述CPN设计的末制导率：

其中：k为自行设计的参数，对时间收敛性有影响；R_i(0)和t_goi(0)代表相对距离和剩余时间的初值，ε_i(t)根据网络状态以及拓扑结构形式进行设计，θ_mi和

是速度矢量在视线平面投影的夹角；

所述网络状态和拓扑结构形式为：

(1)预先设定攻击时间predesign；

(2)集中式协同攻击时间center；

(3)分布式协同攻击时间distributed。

3.根据权利要求1所述的多目标协同末制导率方法，其特征在于：所述CSTG方法设计末制导率

其中，a_y和a_z代表在纵向和横向平面的加速度指令，V_xy和V_xz为XFD速度在纵向和横向平面内的速度分量，λ_y和λ_z为导弹的视线倾角和视线偏角，

和

为视线角速率，λ_yd和λ_zd为预先设置的期望视线角；t_go为XFD攻击目标的剩余时间，其估计的表达式可以表示为：

其中σ是前置角，

是导弹与目标的接近速度，当目标静止时

其中Ω是用来调节剩余时间的变量：

ε＝T_d-t-t_go为期望的剩余时间与真实剩余时间之差，K_N是一个需要设计的调节系数，用于调整导弹剩余时间趋向期望剩余时间的快慢。

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