本發(fā)明涉及多飛行器協(xié)同制導(dǎo)與控制，具體涉及一種基于虛擬目標(biāo)點(diǎn)的逆軌協(xié)同制導(dǎo)方法。

背景技術(shù)：

1、在隨著臨近空間飛行器的不斷發(fā)展，特別是臨近空間高速飛行器具有速度快、機(jī)動(dòng)大、突防能力強(qiáng)的特點(diǎn)，成為最具威脅性的武器之一，為制導(dǎo)任務(wù)帶來了極大的挑戰(zhàn)，單枚導(dǎo)彈作戰(zhàn)已無法滿足作戰(zhàn)需求，多彈協(xié)同作戰(zhàn)成為目前研究的趨勢(shì)，各類協(xié)同制導(dǎo)策略如攻擊時(shí)間協(xié)同、攻擊角度協(xié)同、多約束協(xié)同和協(xié)同制導(dǎo)等被相繼提出。史恒和朱紀(jì)洪通過迭代計(jì)算獲得預(yù)計(jì)的命中點(diǎn)作為虛擬目標(biāo)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)大機(jī)動(dòng)目標(biāo)向低速小機(jī)動(dòng)目標(biāo)的轉(zhuǎn)化。wang通過設(shè)計(jì)俯仰加速度使彈道落入偏航平面，將三維問題轉(zhuǎn)化為平面問題，再設(shè)計(jì)偏航加速度實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的同時(shí)打擊。尤浩等人基于滑模理論提出了一種時(shí)間與角度雙約束的協(xié)同制導(dǎo)律，通過一致性理論避免了剩余時(shí)間估計(jì)帶來的誤差，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)的高精度打擊。wang針對(duì)bang-bang機(jī)動(dòng)類型的目標(biāo)設(shè)計(jì)了協(xié)同最優(yōu)制導(dǎo)律，通過快速多模型自適應(yīng)估計(jì)目標(biāo)加速度及目標(biāo)加速度切換時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)加速度的準(zhǔn)確跟蹤及對(duì)目標(biāo)的打擊。

2、另外，許多學(xué)者提出了以多個(gè)導(dǎo)彈覆蓋目標(biāo)可達(dá)域的覆蓋策略。su在線性模型的基礎(chǔ)上通過為導(dǎo)彈設(shè)置虛擬瞄準(zhǔn)點(diǎn)覆蓋目標(biāo)機(jī)動(dòng)可達(dá)域，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大機(jī)動(dòng)目標(biāo)的協(xié)同制導(dǎo)。肖惟和chen分別在二維和三維場(chǎng)景中將覆蓋策略應(yīng)用到了非線性模型上，并加入了標(biāo)準(zhǔn)彈道概念以動(dòng)態(tài)調(diào)整偏置項(xiàng)系數(shù)。liu在此基礎(chǔ)上考慮導(dǎo)彈的初始位置和彈群數(shù)量的最優(yōu)值，仿真驗(yàn)證了該方法對(duì)噪聲和誤差有較好的魯棒性。bai將覆蓋策略應(yīng)用到異構(gòu)彈群中，通過數(shù)值方法解算覆蓋所需的彈群數(shù)量及初始位置，實(shí)現(xiàn)了多枚機(jī)動(dòng)能力小于目標(biāo)的導(dǎo)彈對(duì)高機(jī)動(dòng)目標(biāo)的協(xié)同制導(dǎo)。江涌在覆蓋策略中引入阿波羅尼奧斯圓，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)動(dòng)未知的目標(biāo)的協(xié)同制導(dǎo)。

3、隨著通信干擾手段的不斷發(fā)展，切斷對(duì)方的通信網(wǎng)絡(luò)能破壞其指揮和控制功能，能夠極大程度地削弱對(duì)方的協(xié)同能力，開環(huán)協(xié)同制導(dǎo)成為彈間通信被限制情況下的一個(gè)可選解決方案。開環(huán)協(xié)同方法都需預(yù)先設(shè)定攻擊時(shí)間，而理想攻擊時(shí)間的合理設(shè)定一直是一個(gè)難點(diǎn)。

4、同時(shí)，目前的協(xié)同制導(dǎo)方法主要以至少一枚導(dǎo)彈命中目標(biāo)為目的，而在攻防雙方速度及機(jī)動(dòng)性能相近的場(chǎng)景下，即使存在導(dǎo)彈發(fā)射點(diǎn)即來襲彈目標(biāo)點(diǎn)的特性，使制導(dǎo)初期雙方速度方向相反，從而能維持較高的彈目交會(huì)速度，隨著攻擊的進(jìn)行，在目標(biāo)的機(jī)動(dòng)過程中，也容易從迎擊轉(zhuǎn)變?yōu)閭?cè)擊甚至追擊，使交會(huì)速度減小，降低攻擊成功率與對(duì)目標(biāo)的打擊效果。采用逆軌制導(dǎo)的方式能夠提高彈目交會(huì)速度，降低對(duì)導(dǎo)彈速度的要求，同時(shí)導(dǎo)彈法向過載與彈目視線垂直，機(jī)動(dòng)改變視線角變化率效率最高，使導(dǎo)彈需用過載降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于虛擬目標(biāo)點(diǎn)的逆軌協(xié)同制導(dǎo)方法，能夠提高對(duì)目標(biāo)打擊概率和打擊效果。

2、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的。

3、一種基于虛擬目標(biāo)點(diǎn)的逆軌協(xié)同制導(dǎo)方法，包括：

4、步驟1：根據(jù)目標(biāo)觀測(cè)信息，估計(jì)目標(biāo)速度方向；

5、步驟2：假設(shè)目標(biāo)以最大機(jī)動(dòng)能力向?qū)椃捶较蜻\(yùn)動(dòng)，根據(jù)彈目之間的幾何關(guān)系和運(yùn)動(dòng)關(guān)系，計(jì)算各導(dǎo)彈打擊目標(biāo)所需攻擊時(shí)間，取最大值作為彈群的理想攻擊時(shí)間tgo；

6、步驟3：根據(jù)目標(biāo)觀測(cè)信息、目標(biāo)速度方向和理想攻擊時(shí)間tgo，計(jì)算預(yù)測(cè)命中點(diǎn)ppre；

7、步驟4：根據(jù)導(dǎo)彈、目標(biāo)、預(yù)測(cè)命中點(diǎn)ppre之間的位置關(guān)系，選擇逆軌打擊方式或側(cè)向打擊方式，并確定打擊角度；根據(jù)打擊角度，計(jì)算各導(dǎo)彈i的虛擬目標(biāo)點(diǎn)pvir,i；

8、步驟5：控制各導(dǎo)彈向虛擬目標(biāo)點(diǎn)飛行，命中目標(biāo)。

9、優(yōu)選地，步驟1中，所述根據(jù)目標(biāo)觀測(cè)信息，估計(jì)目標(biāo)速度方向?yàn)椋?/p>

10、根據(jù)目標(biāo)觀測(cè)信息，采用卡爾曼濾波估計(jì)目標(biāo)速度方向；在卡爾曼濾波估計(jì)中，構(gòu)建的觀測(cè)向量zk中加入了目標(biāo)速度在彈目視線方向的分量vlos：

11、zk＝[xobs,k?yobs,k?zobs,k?vlos]t

12、式中，xobs,k,yobs,k,zobs,k為觀測(cè)的目標(biāo)位置，下角標(biāo)表示第k次迭代；

13、則觀測(cè)矩陣hk為：

14、

15、式中：i為單位矩陣，ulos是彈目視線方向的單位向量。

16、優(yōu)選地，步驟2為：

17、設(shè)目標(biāo)以最大機(jī)動(dòng)能力向?qū)椃捶较蜻\(yùn)動(dòng)時(shí)導(dǎo)彈i打擊目標(biāo)所需攻擊時(shí)間為tgo,i,max，ms,i、ts分別為導(dǎo)彈i、目標(biāo)初始位置在預(yù)測(cè)打擊面s上的投影點(diǎn)，則ms,i在大地坐標(biāo)系中的y軸和z軸位置為ym,i,zm,i，ts在大地坐標(biāo)系中的y軸和z軸位置為yt,zt。

18、兩投影點(diǎn)ms,i,ts之間的距離表示為

19、

20、目標(biāo)投影點(diǎn)ts與預(yù)測(cè)命中點(diǎn)ppre之間的距離為：

21、

22、其中，vt為根據(jù)目標(biāo)觀測(cè)信息獲得的目標(biāo)速度估計(jì)，at,max為目標(biāo)最大機(jī)動(dòng)加速度；

23、目標(biāo)投影點(diǎn)ts與目標(biāo)初始位置t之間的距離為

24、

25、由于目標(biāo)向遠(yuǎn)離導(dǎo)彈的方向機(jī)動(dòng)，ms,i、ts與ppre處于同一直線上，那么導(dǎo)彈i的投影點(diǎn)ms,i與預(yù)測(cè)命中點(diǎn)ppre的距離為：

26、

27、最終得到預(yù)測(cè)命中點(diǎn)ppre＝(xpre,ypre,zpre)的坐標(biāo)為：

28、

29、式中，(xt,yt,zt)為目標(biāo)位置坐標(biāo)，βs為彈目視線在預(yù)測(cè)打擊面投影的方位角；

30、假設(shè)導(dǎo)彈直接飛向處于預(yù)測(cè)命中點(diǎn)處的靜止目標(biāo)，則剩余飛行時(shí)間估計(jì)為

31、

32、式中，vm,i為導(dǎo)彈i的速度大小，rm,i為導(dǎo)彈i與預(yù)測(cè)命中點(diǎn)ppre之間的距離，n為比例導(dǎo)引系數(shù)；σi為導(dǎo)彈i的速度與彈目連線的夾角；

33、將所述攻擊時(shí)間tgo,i,max代入上式得到導(dǎo)彈i與預(yù)測(cè)命中點(diǎn)ppre之間的距離：

34、

35、最終得到關(guān)于tgo,i,max的方程

36、

37、聯(lián)立(iii)～(vi)求解目標(biāo)最大機(jī)動(dòng)時(shí)的所需攻擊時(shí)間tgo,i,max；

38、取各導(dǎo)彈所需攻擊時(shí)間最大值作為彈群的理想攻擊時(shí)間tgo。

39、優(yōu)選地，所述步驟3為：

40、當(dāng)目標(biāo)以最大過載向同一方向機(jī)動(dòng)時(shí)，其圓形可達(dá)域半徑r及圓周運(yùn)動(dòng)的速度偏轉(zhuǎn)角度δ為：

41、

42、式中，at,max為目標(biāo)最大機(jī)動(dòng)加速度，vt為目標(biāo)觀測(cè)信息獲得的目標(biāo)飛行速度，tgo為理想攻擊時(shí)間；

43、將最大機(jī)動(dòng)所形成的球面近似為圓形平面，圓形平面圓心與目標(biāo)的距離為l＝rsinδ；

44、結(jié)合目標(biāo)位置pt＝(xt,yt,zt)、目標(biāo)速度方向中的彈道傾角θt和彈道偏角得到t時(shí)刻目標(biāo)最大機(jī)動(dòng)范圍的圓心位置為：

45、

46、(xo,yo,zo)即為t時(shí)刻的預(yù)測(cè)命中點(diǎn)ppre。

47、優(yōu)選地，步驟4中，所述根據(jù)導(dǎo)彈、目標(biāo)、預(yù)測(cè)命中點(diǎn)ppre之間的位置關(guān)系，選擇逆軌打擊方式或側(cè)向打擊方式為：

48、當(dāng)導(dǎo)彈與目標(biāo)之間的角度滿足設(shè)定的第一角度條件時(shí)，則具有逆軌打擊優(yōu)勢(shì)，以逆軌打擊為打擊方式；否則，以側(cè)向打擊為打擊方式；

49、當(dāng)選擇側(cè)向打擊時(shí)，進(jìn)一步根據(jù)第二角度條件，確定兩種側(cè)向打擊方式：一種是不改變當(dāng)前運(yùn)動(dòng)角度進(jìn)行側(cè)向打擊；另一種是根據(jù)導(dǎo)彈與預(yù)測(cè)命中點(diǎn)之間的角度，計(jì)算打擊角度，利用計(jì)算的打擊角度進(jìn)行測(cè)量打擊。

50、優(yōu)選地，步驟4中，所述根據(jù)導(dǎo)彈、目標(biāo)、預(yù)測(cè)命中點(diǎn)ppre之間的位置關(guān)系，選擇逆軌打擊方式或側(cè)向打擊方式，并確定打擊角度為：

51、設(shè)導(dǎo)彈i的虛擬目標(biāo)點(diǎn)pvir,i與預(yù)測(cè)命中點(diǎn)ppre的連線為第一連線，所述第一連線與預(yù)測(cè)打擊面s上參考方向之間的夾角為βs.i，與預(yù)測(cè)打擊面s之間的仰角為αs,i；同樣，目標(biāo)與預(yù)測(cè)命中點(diǎn)ppre對(duì)應(yīng)的所述夾角和仰角定義為βs.t和αs,t；

52、打擊方式由式(i)和式(ii)共同決定：

53、

54、其中，和為導(dǎo)彈i進(jìn)行制導(dǎo)運(yùn)動(dòng)的期望彈目視線投影方位角和仰角；n為導(dǎo)彈數(shù)量；ym,i,zm,i為導(dǎo)彈i在預(yù)測(cè)打擊面s上的投影點(diǎn)在大地坐標(biāo)系中y軸和z軸位置；ypre,zpre為預(yù)測(cè)命中點(diǎn)ppre的y軸和z軸位置；δ為目標(biāo)以最大過載向同一方向機(jī)動(dòng)時(shí)，其做圓周運(yùn)動(dòng)的速度偏轉(zhuǎn)角度；

55、優(yōu)選地，步驟4中，所述根據(jù)打擊角度，計(jì)算各導(dǎo)彈i的虛擬目標(biāo)點(diǎn)pvir,i為：

56、根據(jù)計(jì)算期望的攻擊方向矢量為：

57、

58、由彈目距離r求得虛擬目標(biāo)點(diǎn)最遠(yuǎn)端位置：

59、

60、式中，k1為比例系數(shù)，令k1＜1保證虛擬目標(biāo)點(diǎn)位于彈目之間，得到虛擬目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)：

61、

62、式中：k2為調(diào)節(jié)參數(shù)，tgo為步驟2計(jì)算的理想攻擊時(shí)間，為導(dǎo)彈i的剩余飛行時(shí)間；t為當(dāng)前時(shí)間；pt為目標(biāo)位置坐標(biāo)。

63、有益效果：

64、(1)開環(huán)協(xié)同制導(dǎo)方法均需要預(yù)先設(shè)定攻擊時(shí)間，而理想攻擊時(shí)間的合理設(shè)定一直是一個(gè)難點(diǎn)，目前的攻擊時(shí)間均為人為設(shè)置，沒有一個(gè)合理的設(shè)置方式。本發(fā)明根據(jù)目標(biāo)機(jī)動(dòng)范圍和導(dǎo)彈導(dǎo)引特性提出一種理想攻擊時(shí)間的計(jì)算方法，利用計(jì)算的理想攻擊時(shí)間確定預(yù)測(cè)命中點(diǎn)，從而提高對(duì)目標(biāo)的打擊概率和打擊效果。

65、(2)為實(shí)現(xiàn)多約束協(xié)同制導(dǎo)，本發(fā)明結(jié)合目標(biāo)方位及預(yù)測(cè)命中點(diǎn)設(shè)置虛擬目標(biāo)點(diǎn)，引導(dǎo)導(dǎo)彈在期望約束下打擊目標(biāo)。

66、(3)本發(fā)明在確定虛擬目標(biāo)點(diǎn)時(shí)，根據(jù)導(dǎo)彈與目標(biāo)之間的角度大小，確定打擊方式為逆軌打擊或側(cè)向打擊，充分根據(jù)導(dǎo)彈當(dāng)前位置上的優(yōu)勢(shì)，設(shè)置虛擬目標(biāo)點(diǎn)引導(dǎo)導(dǎo)彈以期望約束向目標(biāo)包圍，從而提高打擊成功率。

67、(4)目前的協(xié)同制導(dǎo)方法以成功捕獲目標(biāo)為唯一約束，本發(fā)明在此基礎(chǔ)上加入了對(duì)攻擊角度的約束，使攻擊方式為逆軌制導(dǎo)，提高了打擊的效果并降低了對(duì)導(dǎo)彈速度的要求。