本發(fā)明涉及一種具有時(shí)空約束的中制導(dǎo)方法，尤其涉及一種適用于巡飛彈的帶入射角約束和到達(dá)時(shí)間約束的制導(dǎo)方法，屬于制導(dǎo)控制領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境日益復(fù)雜，敵方高價(jià)值目標(biāo)通常具備多層次防御系統(tǒng)，給制導(dǎo)武器的突防帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。依靠單個(gè)高性能武器可以有效突防，但研發(fā)和使用成本較高。如何以較低的成本提高制導(dǎo)武器的突防能力，已成為制導(dǎo)武器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

2、巡飛彈是一種能夠在指定任務(wù)區(qū)域進(jìn)行巡飛，執(zhí)行滯空偵察、目標(biāo)打擊和效果評(píng)估等作戰(zhàn)任務(wù)的新型智能化彈藥。與高超聲速導(dǎo)彈等相比，巡飛彈成本較低，使用高效靈活。通過(guò)巡飛彈集群協(xié)同作戰(zhàn)的方式，可以在不大幅增加制導(dǎo)武器成本的情況下提高突防能力，具有十分重要的意義。

3、現(xiàn)有協(xié)同制導(dǎo)的理論研究和方法主要集中在末制導(dǎo)階段。巡飛彈具有較長(zhǎng)的航程，為實(shí)現(xiàn)多個(gè)巡飛彈對(duì)同一目標(biāo)的協(xié)同打擊任務(wù)，需要經(jīng)過(guò)協(xié)同中制導(dǎo)后進(jìn)行協(xié)同末制導(dǎo)。在中制階段，飛行器在期望時(shí)間內(nèi)到達(dá)指定空域并滿足一定入射角約束可以為末制導(dǎo)提供有利的初始條件。現(xiàn)有實(shí)現(xiàn)中制導(dǎo)的方法主要有偽譜法等數(shù)值優(yōu)化法，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)存在搜索空間大，求解速度慢等問(wèn)題。由于彈載計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的限制，難以保證中制導(dǎo)的實(shí)時(shí)性。

4、考慮以上因素，針對(duì)巡飛彈，提出一種可以滿足入射角度和到達(dá)時(shí)間約束的中制導(dǎo)方法是非常必要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有巡飛彈中制導(dǎo)方法的不足，本發(fā)明的主要目的是提供一種具有時(shí)空約束的中制導(dǎo)方法，以巡飛彈控制能量最優(yōu)為優(yōu)化目標(biāo)，以基于巡飛彈在定高定速巡航段的禁飛區(qū)繞飛需求約束、最小轉(zhuǎn)彎半徑約束、入射角和到達(dá)時(shí)間約束為約束條件，構(gòu)建中制導(dǎo)問(wèn)題，在發(fā)射前利用發(fā)射平臺(tái)的計(jì)算資源根據(jù)中制導(dǎo)問(wèn)題規(guī)劃巡飛彈巡航段的中制導(dǎo)期望航跡點(diǎn)；采用道格拉斯-普克算法對(duì)發(fā)射平臺(tái)規(guī)劃好的航跡點(diǎn)進(jìn)行抽稀，并將提取的包含位置、期望入射角和到達(dá)時(shí)間信息的航跡點(diǎn)裝訂至巡飛彈的制導(dǎo)控制模塊；將入射角約束制導(dǎo)律作為基準(zhǔn)制導(dǎo)律，對(duì)采用基準(zhǔn)制導(dǎo)律的巡飛彈的剩余飛行時(shí)間進(jìn)行估計(jì)；利用剩余飛行時(shí)間估計(jì)值設(shè)計(jì)到控制到達(dá)時(shí)間的偏置項(xiàng)，利用基準(zhǔn)制導(dǎo)律和偏置項(xiàng)構(gòu)建入射角和到達(dá)時(shí)間約束制導(dǎo)律；根據(jù)入射角和到達(dá)時(shí)間約束制導(dǎo)律，巡飛彈依次經(jīng)過(guò)裝訂的中制導(dǎo)期望航跡點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)禁飛區(qū)規(guī)避并以期望時(shí)間和入射角到達(dá)中末制導(dǎo)交接班位置，實(shí)現(xiàn)巡飛彈的巡航段中制導(dǎo)。由于巡飛彈根據(jù)入射角和到達(dá)時(shí)間約束制導(dǎo)律跟蹤的中制導(dǎo)期望航跡點(diǎn)利用利用發(fā)射平臺(tái)的計(jì)算資源求取，降低巡飛彈彈載計(jì)算機(jī)算力要求。本發(fā)明具有同時(shí)兼顧到達(dá)時(shí)間、入射角度約束和禁飛區(qū)繞飛需求，對(duì)巡飛彈彈載計(jì)算機(jī)算力要求低、中制導(dǎo)實(shí)時(shí)性高的優(yōu)點(diǎn)。所述期望航跡點(diǎn)包括位置、期望入射角和到達(dá)時(shí)間信息。

2、本發(fā)明公開(kāi)的一種具有時(shí)空約束的巡飛彈中制導(dǎo)方法，包括如下步驟：

3、步驟一、以巡飛彈控制能量最優(yōu)為優(yōu)化目標(biāo)，以基于巡飛彈在定高定速巡航段的禁飛區(qū)繞飛需求約束、最小轉(zhuǎn)彎半徑約束、入射角和到達(dá)時(shí)間約束為約束條件，構(gòu)建中制導(dǎo)問(wèn)題。利用發(fā)射平臺(tái)的計(jì)算資源采用數(shù)值方法對(duì)中制導(dǎo)問(wèn)題進(jìn)行求解，獲得滿足約束的中制導(dǎo)期望航跡點(diǎn)。

4、以巡飛彈控制能量最優(yōu)為優(yōu)化目標(biāo)，以基于巡飛彈在定高定速巡航段的禁飛區(qū)繞飛需求約束、最小轉(zhuǎn)彎半徑約束、入射角和到達(dá)時(shí)間約束為約束條件，構(gòu)建中制導(dǎo)問(wèn)題如式(1)所示

5、

6、其中，j表示目標(biāo)函數(shù)，u表示虛擬控制量且滿足|u|≤1，tf表示到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的期望時(shí)間，xm表示巡飛彈在慣性系x軸的坐標(biāo)，ym表示巡飛彈在慣性系y軸的坐標(biāo)，vm表示巡飛器飛行速度大小，γm表示巡飛彈的彈道偏角，rmin表示巡飛器的最小轉(zhuǎn)彎半徑，xo,i表示第i個(gè)禁飛區(qū)中心在慣性系x軸的坐標(biāo)，yo,i表示第i個(gè)禁飛區(qū)中心在慣性系y軸的坐標(biāo)，ri表示距離第i個(gè)禁飛區(qū)中心的距離，xd和yd表示目標(biāo)點(diǎn)位置，γd表示到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的期望入射角，x0和y0表示巡飛彈初始位置，γ0巡飛彈初始彈道偏角。

7、根據(jù)數(shù)值方法求解如式(1)所示中制導(dǎo)問(wèn)題，得到滿足禁飛區(qū)繞飛需求、最小轉(zhuǎn)彎半徑約束、入射角和到達(dá)時(shí)間約束的中制導(dǎo)期望航跡點(diǎn)。所述期望航跡點(diǎn)包含位置、期望入射角和到達(dá)時(shí)間信息。

8、步驟二、采用道格拉斯-普克算法對(duì)步驟一規(guī)劃出的中制導(dǎo)期望航跡點(diǎn)進(jìn)行抽稀，并將提取的包括期望位置、入射角度和到達(dá)時(shí)間信息的航跡點(diǎn)注入巡飛彈的制導(dǎo)控制模塊，通過(guò)對(duì)中制導(dǎo)期望航跡點(diǎn)進(jìn)行抽稀減少需要跟蹤的期望航跡點(diǎn)的數(shù)量。將入射角約束制導(dǎo)律作為基準(zhǔn)制導(dǎo)律，根據(jù)基準(zhǔn)制導(dǎo)律推導(dǎo)得到解析的剩余飛行時(shí)間預(yù)測(cè)公式。以巡飛彈和當(dāng)前航跡點(diǎn)的位置、巡飛彈的速度大小和彈道偏角等條件為輸入，根據(jù)剩余飛行時(shí)間預(yù)測(cè)公式確定剩余飛行時(shí)間tgo,j。

9、步驟2.1：采用道格拉斯-普克算法對(duì)發(fā)射平臺(tái)規(guī)劃的期望航跡的進(jìn)行抽稀，共獲得m個(gè)航跡點(diǎn)。每個(gè)航跡點(diǎn)信息包括期望位置、入射角度和到達(dá)時(shí)間。

10、步驟2.2：建立巡飛彈與第j個(gè)(j＝2,3,...m)航跡點(diǎn)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方程，設(shè)計(jì)具有入射角控制能力的基準(zhǔn)制導(dǎo)律，對(duì)巡飛器在基準(zhǔn)制導(dǎo)律作用下到達(dá)第j個(gè)航跡點(diǎn)的剩余飛行時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)。

11、巡飛彈與第j個(gè)航跡點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方程表示為

12、

13、

14、

15、

16、其中，rj表示巡飛彈與第j個(gè)航跡點(diǎn)間的相對(duì)距離，σj表示巡飛器的前置角，λj表示視線角，am表示飛行器的法向加速度指令。

17、基準(zhǔn)制導(dǎo)律的法向加速度指令為

18、

19、其中，n表示正的導(dǎo)航比，γd,j表示巡飛彈到達(dá)第j個(gè)航跡點(diǎn)的期望入射角，表示巡飛彈到達(dá)第j個(gè)航跡點(diǎn)的入射角的預(yù)測(cè)值且滿足

20、

21、在基準(zhǔn)制導(dǎo)律作用下，巡飛彈到達(dá)第j個(gè)航跡點(diǎn)的剩余飛行時(shí)間為

22、

23、根據(jù)式(8)對(duì)在基準(zhǔn)制導(dǎo)律作用下巡飛彈到達(dá)第j個(gè)航跡點(diǎn)的剩余飛行時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)。

24、步驟三、將到達(dá)第j個(gè)航跡點(diǎn)的期望時(shí)間tj和步驟二中得到的剩余飛行時(shí)間tgo,j和當(dāng)前時(shí)間的差值δj定義為到達(dá)時(shí)間控制誤差。基于達(dá)時(shí)間控制誤差的初值和期望收斂時(shí)間設(shè)計(jì)期望變化率構(gòu)建偏置項(xiàng)使巡飛彈的到達(dá)時(shí)間控制誤差δj遵循所設(shè)計(jì)的期望變化率利用基準(zhǔn)制導(dǎo)律和偏置項(xiàng)構(gòu)建入射角和到達(dá)時(shí)間約束制導(dǎo)律。根據(jù)入射角和到達(dá)時(shí)間約束制導(dǎo)律確保到達(dá)時(shí)間控制誤差δj在巡飛彈到達(dá)第j個(gè)航跡點(diǎn)前實(shí)現(xiàn)收斂，使巡飛彈以期望入射角和期望時(shí)間到達(dá)第j個(gè)航跡點(diǎn)，即實(shí)現(xiàn)對(duì)巡飛器的帶入射角和到達(dá)時(shí)間約束的制導(dǎo)。

25、步驟3.1：確定到達(dá)時(shí)間控制誤差δj的期望變化率

26、到達(dá)時(shí)間控制誤差δj表示期望到達(dá)時(shí)間tj和剩余時(shí)間預(yù)測(cè)值tgo,j以及當(dāng)前時(shí)間的差值。當(dāng)控制δj收斂到零時(shí)，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)巡飛彈在期望時(shí)間到達(dá)第j個(gè)航跡點(diǎn)。由到達(dá)時(shí)間控制誤差δj的定義得

27、

28、由于從第j1個(gè)航跡點(diǎn)到達(dá)第j個(gè)航跡點(diǎn)的飛行時(shí)間是有限的，因此確保到達(dá)時(shí)間控制誤差δj在巡飛彈到達(dá)第j個(gè)航跡點(diǎn)之前收斂到零非常重要。同時(shí)，需要使巡飛彈在制導(dǎo)過(guò)程中保證與第j個(gè)航跡點(diǎn)之間的距離單調(diào)減小，保證前置角σj小于90°。為了確保到達(dá)時(shí)間控制誤差δj在巡飛彈到達(dá)第j個(gè)航跡點(diǎn)之前收斂到零，構(gòu)建到達(dá)時(shí)間控制誤差δj的期望變化率如下式所示：

29、

30、其中，sigp(·)＝sign(·)|·|p，sign()表示符號(hào)函數(shù)，0＜p＜1，δj,0表示δj的初始值，ts為一個(gè)常值。

31、步驟3.2：確定制導(dǎo)方法偏置項(xiàng)以使到達(dá)時(shí)間控制誤差δj遵循式(10)中的期望變化率，實(shí)現(xiàn)對(duì)巡飛器的帶入射角和到達(dá)時(shí)間約束的制導(dǎo)。

32、設(shè)計(jì)如下的帶入射角和到達(dá)時(shí)間約束制導(dǎo)律

33、am＝ab+at????(11)

34、其中，ab表示基準(zhǔn)制導(dǎo)律，用于保證零脫靶量和期望入射角；at表示偏置項(xiàng)，用于保證達(dá)時(shí)間控制誤差δj滿足式(10)中的期望變化率，進(jìn)而滿足到達(dá)時(shí)間約束。

35、由式(4)(8)和(9)得

36、

37、其中，

38、

39、根據(jù)式(10)和(12)得偏置項(xiàng)為

40、

41、結(jié)合式(6)(11)和(14)即得到帶入射角和到達(dá)時(shí)間約束的法向加速度指令，使巡飛彈的到達(dá)時(shí)間控制誤差滿足式(10)中的期望變化率，確保到達(dá)時(shí)間控制誤差δj在巡飛彈到達(dá)第j個(gè)航跡點(diǎn)前實(shí)現(xiàn)收斂，使巡飛彈以期望入射角和期望時(shí)間到達(dá)第j個(gè)航跡點(diǎn)。

42、步驟四、步驟一利用發(fā)射平臺(tái)的計(jì)算資源采用數(shù)值方法對(duì)中制導(dǎo)問(wèn)題進(jìn)行求解，獲得滿足約束的中制導(dǎo)期望航跡點(diǎn)，步驟二通過(guò)對(duì)步驟一獲得的中制導(dǎo)期望航跡點(diǎn)進(jìn)行抽稀減少需要跟蹤的期望航跡點(diǎn)的數(shù)量，并將抽稀后獲得的包括期望位置、入射角度和到達(dá)時(shí)間信息的航跡點(diǎn)注入巡飛彈的制導(dǎo)控制模塊。巡飛彈根據(jù)所裝訂的航跡點(diǎn)信息和當(dāng)前飛行狀態(tài)信息，根據(jù)步驟三構(gòu)建的帶入射角和到達(dá)時(shí)間約束制導(dǎo)律推求法向加速度指令，直至巡飛彈以期望入射角和到達(dá)時(shí)間飛抵目標(biāo)區(qū)域，完成滿足時(shí)空約束的中制導(dǎo)。

43、步驟4.1：步驟一利用發(fā)射平臺(tái)的計(jì)算資源采用數(shù)值方法對(duì)中制導(dǎo)問(wèn)題進(jìn)行求解，獲得滿足約束的中制導(dǎo)期望航跡點(diǎn)，步驟二通過(guò)對(duì)步驟一獲得的中制導(dǎo)期望航跡點(diǎn)進(jìn)行抽稀減少需要跟蹤的期望航跡點(diǎn)的數(shù)量。將抽稀后得到的m個(gè)航跡點(diǎn)裝訂到巡飛器的制導(dǎo)控制模塊。取一定值rm，預(yù)設(shè)初值j＝2，并將第j個(gè)航跡點(diǎn)作為當(dāng)前目標(biāo)航跡點(diǎn)。

44、步驟4.2：巡飛彈根據(jù)當(dāng)前目標(biāo)航跡點(diǎn)信息和飛行狀態(tài)信息，根據(jù)步驟三構(gòu)建的制導(dǎo)律推求法向加速度指令，對(duì)期望航跡進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋跟蹤。

45、步驟4.3：計(jì)算巡飛彈當(dāng)前位置與當(dāng)前目標(biāo)航跡點(diǎn)間的距離rj。若rj＞rm，重復(fù)步驟4.2；若rj≤rm且j＜m，令j＝j(luò)+1，并將第j航跡點(diǎn)作為當(dāng)前目標(biāo)航跡點(diǎn)；若rj≤rm且j＝m，巡飛彈到達(dá)指定位置，完成滿足時(shí)空約束的中制導(dǎo)。

46、有益效果：

47、1、本發(fā)明公開(kāi)的一種具有時(shí)空約束的中制導(dǎo)方法，在發(fā)射前利用發(fā)射平臺(tái)的計(jì)算資源根據(jù)中制導(dǎo)問(wèn)題規(guī)劃巡飛彈巡航段的中制導(dǎo)期望航跡點(diǎn)，通過(guò)對(duì)中制導(dǎo)期望航跡點(diǎn)進(jìn)行抽稀減少需要跟蹤的期望航跡點(diǎn)的數(shù)量；在此基礎(chǔ)上，將入射角約束制導(dǎo)律作為基準(zhǔn)制導(dǎo)律，對(duì)采用基準(zhǔn)制導(dǎo)律的巡飛彈的剩余飛行時(shí)間進(jìn)行估計(jì)并利用剩余飛行時(shí)間估計(jì)值設(shè)計(jì)到控制到達(dá)時(shí)間的偏置項(xiàng)，利用基準(zhǔn)制導(dǎo)律和偏置項(xiàng)構(gòu)建入射角和到達(dá)時(shí)間約束制導(dǎo)律，對(duì)中制導(dǎo)期望航跡點(diǎn)進(jìn)行跟蹤，將復(fù)雜非線性的巡飛彈中制導(dǎo)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為有限個(gè)航跡點(diǎn)間的帶入射角和到達(dá)時(shí)間約束的制導(dǎo)問(wèn)題，降低巡飛彈中制導(dǎo)問(wèn)題的復(fù)雜度和對(duì)巡飛彈彈載計(jì)算機(jī)的算力需求，提高中制導(dǎo)的實(shí)時(shí)性。

48、2、本發(fā)明公開(kāi)的一種具有時(shí)空約束的中制導(dǎo)方法，針對(duì)單一的角度和時(shí)間約束制導(dǎo)方法無(wú)法兼顧禁飛區(qū)繞飛需求的問(wèn)題，利用發(fā)射平臺(tái)的計(jì)算資源根據(jù)中制導(dǎo)問(wèn)題規(guī)劃巡飛彈考慮禁飛區(qū)需求的中制導(dǎo)期望航跡點(diǎn)，通過(guò)對(duì)中制導(dǎo)期望航跡點(diǎn)進(jìn)行抽稀減得到有限個(gè)期望航跡點(diǎn)，利用入射角和到達(dá)時(shí)間約束制導(dǎo)律對(duì)期望航跡點(diǎn)進(jìn)行跟蹤，將滿足禁飛區(qū)繞飛需求的期望航跡引入角度和時(shí)間約束制導(dǎo)中，在滿足到達(dá)時(shí)間和入射角約束的同時(shí)滿足禁飛區(qū)繞飛需求。

49、3、本發(fā)明公開(kāi)的一種具有時(shí)空約束的中制導(dǎo)方法，針對(duì)到達(dá)時(shí)間控制誤差需要在有限時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)收斂的問(wèn)題，采用指定時(shí)間控制理論設(shè)計(jì)誤差反饋?lái)?xiàng)修正到達(dá)時(shí)間，能夠保證到達(dá)時(shí)間控制誤差在指定時(shí)間內(nèi)收斂到零，提高到達(dá)時(shí)間控制性能。