CN113138604A

CN113138604A - 一种反低小慢目标的无人机拦截方法

Info

Publication number: CN113138604A
Application number: CN202011112655.XA
Authority: CN
Inventors: 宋韬; 章成; 林德福; 吴则良; 王江; 陶宏
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2020-10-16
Filing date: 2020-10-16
Publication date: 2021-07-20
Anticipated expiration: 2040-10-16
Also published as: CN113138604B

Abstract

本发明公开了一种反低小慢目标的无人机拦截方法，包括以下步骤：S1、获取目标运动状态信息；S2、解算过载指令；S3、根据过载指令控制无人机飞行，对目标进行拦截；在步骤S2中，通过设置虚拟交班点将制导过程分为两个阶段，两个阶段采用不同的控制算法解算过载指令。本发明所述的反低小慢目标的无人机拦截方法，具有拦截轨迹相对平直，拦截轨迹长度短、拦截耗时短等优点。

Description

一种反低小慢目标的无人机拦截方法

技术领域

本发明涉及一种无人机拦截方法，具体涉及一种反低小慢目标的无人机拦截方法，无人机控制领域。

背景技术

“低慢小”目标(LSST)，是指具有低空、超低空飞行(飞行高度在1000m以下)，飞行速度小于200km/h，不易被雷达发现等全部或部分特征的小型航空器和空飘物。低慢小航空器飞行高度在1000米以下、飞行时速小于200公里、雷达反射面积小于2平方米的航空器具，由于“低慢小”目标涉及的范围比较广(包括中小型飞机、直升机、滑翔机、热气球、无人机等通用航空器材及航空运动器材等)，加上科技的发展，使得“低慢小”目标得到广泛使用和迅速发展。

“低慢小”目标的发展提高了国民经济发展水平，但它试一把双刃剑，近几年“低慢小”事件明显上升，“低慢小”目标的发展对重点目标、重点区域和重大活动产生的重大威胁也日益突出，特别是恐怖形式如此严重的情况下，一旦被有些不良用心的人或敌对分子利用，将产生不可想象的后果。随着我国低空空域的开放，对“低慢小”目标的监管与防范成为亟待解决的问题，准确探测、拦截和打击目标十分重要和紧迫。

“低慢小”目标具有难探测、难防御的特点，目前对“低慢小”目标的拦截方式主要分软杀伤和硬杀伤两种。软击杀通过干扰通信链路、干扰导航定位系统和干扰侦查设备来实现削弱“低慢小”目标的作战能力。硬杀伤通过派遣直升机打击、无人机打击和摧毁地面站的形式的干预手段。其中因为无人机的战场感知能力强、灵活度高、成本低等一系列优势，利用无人机打击“低慢小”目标成为一种费效比非常可观的手段。

目前，拦截低慢小目标的无人机多采用传统的PID控制算法和比例导引法，但低慢小目标不同于传统的移动目标，由于其质量小、速度慢，使其具有转弯灵活、机动性强的特点，使得传动的控制算法具有诸多缺陷：传统的PID控制算法在目标轨迹为水平直线时，能够实现对轨迹的良好跟踪，但是低慢小目标做复杂的曲线运动时，会出现相当大的跟踪误差；传统的比例导引法对末端需求过载过大，随着低慢小目标机动性能的提升和机动方式的多样化，传统的比例导引法性能已难以精准实现对低慢小目标机末端的拦截。

由于上述原因，亟需提出一种能够解决上述问题的反低小慢目标的无人机拦截方法。

发明内容

为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种反低小慢目标的无人机拦截方法，包括以下步骤：

S1、获取目标运动状态信息；

S2、解算过载指令；

S3、根据过载指令控制无人机飞行，对目标进行拦截。

在步骤S1中，所述目标运动状态信息是通过无人机上的光电吊舱及其控制模块捕获识别的，所述光电吊舱及其控制模块能够执行目标识别和跟踪，输出目标与无人机之间相对距离R、相对速度V_r和目标相对于无人人机的视线角q_i、视线角速率

在步骤S2中，将制导过程分为两个阶段，两个阶段采用不同的控制算法解算过载指令，所述解算过载指令为解算视线系下过载指令。

通过设置虚拟交班点将制导过程分成两个阶段，所述虚拟交班点在纯比例导引法形成的弹道轨迹中选择，所述纯比例导引法形成的弹道轨迹是指，在无人机发射前，无人机根据自身位置和目标位置确定的预设轨迹，预设轨迹的末端为预估拦截点。在本发明中，无人机在在整个飞行过程中的过载指令a^L通过下式(一)表示：

其中，N₁、N₂表示比例系数；

V_r表示视线系下目标与无人机的相对速度，由光电吊舱解算获得；

分别表示视线系下无人机与虚拟交班点、预估拦截点的弹目视线角速率，由光电吊舱和机载计算机解算获得；

Z₂表示从当前时刻起，无人机不再执行任何控制指令的情况下到达虚拟交班点的零控脱靶量；

t_go,、t_go,分别表示无人机至虚拟交班点、无人机至预估拦截点的剩余飞行时间；

t_f,1、t_f,2表示无人机到达虚拟交班点、预估拦截点的时刻。

进一步地，所述比例系数N₁、N₂可通过如下式(二)获得：

根据本发明，所述零控脱靶量Z₂可通过下式(三)获得：

t_go,、t_go,通过下式(四)获得：

其中，R表示无人机与目标的相对距离，由光电吊舱解算获得；

V表示无人机惯性系下的速度，由无人机机载计算机解算获得；

N表示比例导引系数，优选地，取N＝3。

无人机到达虚拟交班点、预估拦截点的时刻t_f,1、t_f,2可通过下式(五)获得：

t表示无人机飞行时间以无人机起飞时刻为计时零点开始计时，由无人机机载计算机解算获得。

在本发明中，在步骤S3中，将解算的视线系下的过载指令转换为惯性系下过载指令，无人机按照惯性系下过载指令控制飞行，对目标进行拦截。

本发明所具有的有益效果包括：

(1)根据本发明提供的反低小慢目标的无人机拦截方法，通过光电吊舱在无人机上的使用解决了拒止环境下目标和无人机相对运动信息未知的难题，为制导控制系统提供了准确的制导信息；

(2)根据本发明提供的反低小慢目标的无人机拦截方法，拦截轨迹相对平直，拦截轨迹长度短。

(3)根据本发明提供的反低小慢目标的无人机拦截方法，拦截耗时短、拦截速度快。

附图说明

图1示出根据本发明一种优选实施方式的反低小慢目标的无人机拦截方法流程示意图；

图2示出实施例1与对比例1中的无人机的运行轨迹图；

图3示出实施例1与对比例2中的无人机的运行轨迹图；

图4示出实施例1与对比例1中的无人机与目标的相对位置随时间变化曲线图；

图5示出实施例1与对比例2中的无人机与目标的相对位置随时间变化曲线图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

本发明提供了一种反低小慢目标的无人机拦截方法，包括以下步骤：

S1、获取目标运动状态信息；

S2、解算过载指令；

S3、根据过载指令控制无人机飞行，对目标进行拦截。

在本发明中，对光电吊舱及其控制模块不做特别限定，可以是已知的任意一种光电吊舱及控制模块，例如专利CN201710014199.7中相关的装置。

根据本发明，在步骤S2中，所述解算过载指令为解算视线系下过载指令。

所述视线系以无人机质心为原点，无人机与目标连线为x轴，z轴垂直x轴指向上，y轴与x、z轴构成右手定则；

传统的制导方法，例如PID控制算法难以实现对具有复杂轨迹的低小慢目标的跟踪，而比例导引法形成的制导方法，对末端需求过载过大，对无人机的性能要求较高，这种高性能的无人机用于拦截低慢小目标成本过高，性价比差。

在本申请中，提出了一种复合制导方法，以提高制导性能，从而完成过载指令的解算。

在步骤S2中，将制导过程分为两个阶段，两个阶段采用不同的控制算法解算过载指令。

进一步地，通过设置虚拟交班点将制导过程分成两个阶段。

更进一步地，所述虚拟交班点在纯比例导引法形成的弹道轨迹中选择，所述纯比例导引法形成的弹道轨迹是指，在无人机发射前，无人机根据自身位置和目标位置确定的预设轨迹，预设轨迹的末端为预估拦截点。

在一个优选的实施方式中，在纯比例导引法形成的弹道轨迹上，无人机从起飞点到虚拟交班点之间的轨迹距离与从虚拟交班点到预估拦截点之间的轨迹距离比为4:1～2:1。

发明人发现，在此位置，无人机采用纯比例导引法跟踪目标时极易丢失目标，即无人机与目标轨道差异最大位置，将此位置作为虚拟交班点，能够有效的解决目标丢失问题，使得无人机的拦截轨迹更短。

无人机在整个飞行过程中的过载指令a^L通过下式(一)表示：

其中，N₁、N₂表示比例系数；

t_go,1、t_go,2分别表示无人机至虚拟交班点、无人机至预估拦截点的剩余飞行时间；

t_f,1、t_f,2表示无人机到达虚拟交班点、预估拦截点的时刻。

进一步地，在本发明中，所述比例系数N₁、N₂可通过如下式(二)获得：

在本发明中，所述零控脱靶量Z₂可通过下式(三)获得：

在本发明中，t_go,1、t_go,2通过下式(四)获得：

N表示比例导引系数，优选地，取N＝3。

在本发明中，无人机到达虚拟交班点、预估拦截点的时刻t_f,1、t_f,2可通过下式(五)获得：

t表示无人机飞行时间，以无人机起飞时刻为计时零点开始计时，由无人机机载计算机解算获得。

在步骤S3中，将解算的视线系下的过载指令转换为惯性系下过载指令，使其能被无人机控制系统识别，无人机按照惯性系下过载指令控制飞行，对目标进行拦截。

所述惯性系以无人机质心为原点，地理东向为x轴，地理北向为y轴,z轴垂直x,y轴向上。

实施例

实施例1

进行模拟实验，设定无人机起飞点坐标(-50,0,50)，虚拟交班点坐标(0,20,35)，目标点初始坐标(0,0,30)。无人机初始速度0m/s，目标以10m/s做顺时针的“8”字运动。

无人机通过光电吊舱及其控制模块识别目标，通过下式(一)解算出过载指令：

其中，V_r、

为光电吊舱及其控制模块实时解算获得，比例系数N₁、N₂可通过如下式(二)获得：

所述零控脱靶量Z₂可通过下式(三)获得：

在本发明中，t_go,1、t_go,2通过下式(四)获得：

其中N＝3，R表示无人机与目标的相对距离，由光电吊舱解算实时获得；

V表示无人机惯性系下的速度，由无人机机载计算机解算实时获得_。

无人机到达虚拟交班点的时刻t_f,1可通过下式(五)获得：

无人机将解算的视线系下的过载指令转换为惯性系下过载指令，按照惯性系下过载指令控制飞行，对目标进行拦截。

对比例1

进行与实施例1相同的模拟实验，区别在于，过载指令的解算采用传统PID算法解算，其中PID算法的三轴系数为：

对比例2

进行与实施例1相同的模拟实验，区别在于，过载指令的解算采用导引比N＝3的比例导引法解算。

实验例1

比较实施例1与对比例1、实施例1与对比例2中的无人机的运行轨迹，其结果如图2、图3所示，三者均能够实现对目标的拦截。

从图2、图3中可以看出，对比例1和对比例2中无人机拦截的轨迹都具有较大的曲率，尤其是对比例1中，无人机跟随目标绕行将近一圈后才实现拦截，而实施例1中无人机拦截的轨迹相对平直，轨迹长度短，与目标相遇所消耗的时间少，拦截时间短。

比较实施例1与对比例1、实施例1与对比例2中的无人机与目标的相对位置随时间变化曲线，其结果如图4、图5所示。

从图4、图5可以看出:

实施例1中的无人机在第9.16秒时，与目标相遇，实现拦截；

对比例1中的无人机在63.52秒时，与目标相遇，实现拦截；

对比例2中的无人机在12.14秒时，与目标相遇，实现拦截。

综上，可以看出，实施例1中的过载指令解算方法，拦截轨迹短、拦截速度快，在拦截低小慢目标时具有明显的优势。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接普通；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。