一种绕多禁飞区的多步决策弹道规划方法技术

本发明专利技术涉及一种绕多禁飞区的多步决策弹道规划方法，包括如下步骤：步骤1：预测命中点计算；步骤2：边界趋近制导律；步骤3：速度指向修正；步骤4：比例导引；步骤5：基于多步决策理论的绕多禁飞区弹道规划方法。本发明专利技术优点在于：相较于离线规划方法，本发明专利技术弹道规划方法具有较强的实时性，在线规划速度快，可根据任务及战场环境需求实时生成新的规避指令；相较于传统的在线规划方法，本发明专利技术弹道规划方法推导过程简单，可处理大量、任意分布的禁飞区情况，具有更强的适应性；本发明专利技术弹道规划方法可严格保证禁飞区边界约束，飞行弹道平滑，需用过载小，具有更高的制导精度。

A multi step decision ballistic planning method for multi ban flying area

【技术实现步骤摘要】
一种绕多禁飞区的多步决策弹道规划方法
本专利技术涉及一种绕多禁飞区的多步决策弹道规划方法，属于航天技术、武器技术、制导控制领域。
技术介绍
随着导弹防御系统的发展，完善的陆、海、空立体化导弹防御系统已对重要军事目标形成了全方位、多层次保护，给现代导弹突防构成了严重的威胁。因此，为了能够有效攻击位于防区内或防区后的目标，就必须在飞行途中尽可能规避敌方的探测雷达以及立体化防御体系成构成的禁飞区，充分利用敌方的探测和防御系间隙或在己方电子干扰支援下所形成的突防通道，进行最优的突防路径规划，同时满足禁飞区边界约束，提高突防概率；此外，对于时敏目标，如敌高空侦察机、正在转移的敌方战略武器发射平台、来袭导弹、敌机等目标，需要导弹在最短的时间对其实施拦截或打击，否则可能错失打击窗口，导致任务失败。因此，需要设计一种能够在线快速规划突防路径，同时满足多禁飞区边界约束的弹道规划方法，以导引导弹以最短的时间、最优的路径命中目标。目前，绕多禁飞区的弹道规划方法主要分为两类：离线弹道规划方法和在线弹道规划方法。离线弹道规划法通过建立一系列航路点，再结合特定的路径搜索算法，如A*搜索法、Dijkstra法、动态规划法等，完成对参考弹道的规划，其缺点是只能离线计算，主要针对静止或低速运动目标，且当禁飞区数目较多时，计算量将会非常大。在线弹道规划方法可在线完成突防路径规划并生成制导指令以控制导弹对禁飞区进行规避，主要方法有最优控制法和势能法等。最优控制法将禁飞约区约束条件转化为惩罚项加入到性能指标函数中，从而可推导出绕多禁飞区突防指令的解析解，但因推导过程复杂而只适用于少量禁飞区约束的情况；势能法得到的指令解析解推导相对简单，但因制导系数选取困难，且不易获得平滑的弹道，特别是在禁飞区边界处容易引起过载振荡，从而破坏禁飞区边界约束，同时也会增加导弹的能量消耗。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述问题，提出一种绕多禁飞区的多步决策弹道规划方法，该方法可在线快速规划突防路径，同时严格满足多禁飞区边界约束。本
技术实现思路
分为两部分：单禁飞区规避制导律设计和基于多步决策理论的多禁飞区弹道规划方法设计。第一部分，为单禁飞区规避制导律(OBPCG)，主要包括预测命中点计算、边界趋近制导律(BCHS，boundaryconstrainthandlingscheme)、速度指向修正(OAS，orientationadjustmentscheme)、比例导引(PN，proportionalnavigation)四项，其中BCHS控制导弹进行禁飞区规避机动，OAS决定导弹规避禁飞区的绕飞方向，当目标进入视野后，PN控制导弹命中目标；第二步，基于多步决策理论，建立一系列合适的航路点，结合单禁飞区规避制导律，完成绕多禁飞区的多步决策弹道规划方法设计。本专利技术一种绕多禁飞区的多步决策弹道规划方法，整个过程包括以下5个步骤，其中步骤1～4为单禁飞规避制导律(OBPCG)设计，步骤5为多步决策弹道规划方法设计。具体如下：步骤1：预测命中点计算预测命中点通过以下迭代方法计算：1)测量目标当前状态，进行滤波；假设目标按当前状态继续飞行，进行弹道预报；2)初步估计目标到达预测命中点所需时间tT其中，RTM为弹目相对距离，为弹目相对距离的时间导数；3)记目标经过时间tT后所处的位置为预测命中点；4)计算导弹到达上述预测命中点所需时间tMtM＝RMP/VM(2)其中，RMP是导弹到预测命中点的距离，VM是导弹的速度大小；5)计算时间差Δt＝|tT-tM|(3)6)如果Δt≤ε，则迭代结束，其中ε为误差精度；否则，用黄金分割法修正时间tT7)重复步骤3)。步骤2：边界趋近制导律(BCHS)绘制BCHS辅助说明示意图：点E为禁飞区圆心，定义垂直于向量的单位向量pEM其中，和分别为向量的x和y方向的分量。H为导弹到禁飞区边界的距离，σ∈[-π,π)为导弹速度矢量VM与pEM的夹角，顺时针旋转为正。加速度指令ac垂直于速度矢量VM。则导弹在水平面内的运动方程为其中，r是禁飞区半径，VM为导弹速度大小，ac为导弹加速度大小。通过模拟阻尼谐振荡器，设计加速度指令大小为其中，ξ为阻尼系数，ωn为自然频率。定义为垂直于导弹速度VM的单位矢量其中，和分别为VM的x和y方向的分量，则导弹指令加速度的方向向量为则边界趋近制导律BCHS的加速度指令为ac＝ac·iac(10)步骤3：速度指向修正(OAS)一些情况下，BCHS可能会控制导弹沿较长的弹道绕过禁飞区，若仅在BCHS的作用下，导弹将沿较长的弹道绕过禁飞区，导致导弹的飞行时间变长，能量消耗增加；因此，需设计OAS以辅助BCHS获得较短的飞行弹道；当公式(12)满足时，OAS启动；此时，OAS控制导弹以最大的可用过载nmax进行转弯，指令加速度为其中g为重力加速度。其中，为导弹指向预测命中点的向量。此外，还需考虑最大可用过载nmax对OAS作用的影响，当公式(13)满足时，OAS不被激活，直接进入BCHS制导阶段。其中r′为导弹最小转弯半径，O′F为导弹转弯中心距离禁飞区圆心E和预测命中点p连线的距离，r为禁飞区半径，O′E为导弹转变中心到禁飞区圆心E的距离；步骤4：比例导引(PN)当目标进入视野，即导弹与预测命中点连线与禁飞区无交点时，PN被激活以控制导弹飞向目标。此时，指令加速度为其中，N′为有效导引比，Vc为弹目接近速度，为视线角速率；步骤5：基于多步决策理论的绕多禁飞区弹道规划方法引入多步决策模型如下：定义：Γ步决策模型(S,D,T,J)，其中1)记H:＝{0,1,2,...,Γ}，其中Γ表示决策步数；2)状态空间S是一个非空集合，其元素为所有的状态变量s(s∈S)。记S(k)为第k步起点的状态集合，其中k∈H；3)D(k,s)为第k步中从状态变量s出发的所有可行决策集合。决策空间D为所有决策步的可行决策总集；4)在空间H×S×D上，T为在决策xk作用下，从第k步的起点状态变量s到第k+1步的起点状态变量s'的状态转移函数，其中k∈H,s∈S,xk∈D(k,s)；5)在空间S×DΓ上，J为性能指标函数。J(s0；x0,x1,...xΓ-1)表示在决策序列x0,x1,...,xΓ-1作用下的性能指标值，初始状态变量为s0∈S。首先，搜索所有与导弹和预测命中点连线相交的禁飞区，将禁飞区按其与导弹距离远近标记如下其中，Ck表示第k个禁飞区，Ek和rEk分别为第k个禁飞区的圆心和半径；为了能够处理多禁飞区约束的情况，建立一系列航路点，同时将这些航路点作为多步决策模型的状态变量；一般情况下，在禁飞区Ck和Ck+1(1≤k＜Γ)之间有四条公切线，记位于禁飞区Ck+1上的公切点为Qk+1,i(i＝1,2,3,4)；需注意的是，第2步的起点状态变量只有两点，因此，第k步起点的状态集合S(k)可表示为记状态变量之间所有可行决策的集合为决策空间D。使突防弹道最短的性能指标为其中，ω(k,xk)表示在决策xk(xk∈D)作用下第k步的飞行距离。为了使导弹的突防路径最短，应使导弹在最优的决策序列(x0,x1,...,xΓ)控制下飞行，此时J(s0；x0,x1,...,xΓ)最小。但当禁飞区数目很大时，搜索最优决策序列的计算量将会变得非常大，无法满足弹本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种绕多禁飞区的多步决策弹道规划方法，其特征在于：该方法整个过程包括5个步骤，其中步骤1～4为单禁飞规避制导律设计，步骤5为多步决策弹道规划方法；具体如下：步骤1：预测命中点计算预测命中点通过以下迭代方法计算：1)测量目标当前状态，进行滤波；假设目标按当前状态继续飞行，进行弹道预报；2)初步估计目标到达预测命中点所需时间tT

【技术特征摘要】
1.一种绕多禁飞区的多步决策弹道规划方法，其特征在于：该方法整个过程包括5个步骤，其中步骤1～4为单禁飞规避制导律设计，步骤5为多步决策弹道规划方法；具体如下：步骤1：预测命中点计算预测命中点通过以下迭代方法计算：1)测量目标当前状态，进行滤波；假设目标按当前状态继续飞行，进行弹道预报；2)初步估计目标到达预测命中点所需时间tT其中，RTM为弹目相对距离，为弹目相对距离的时间导数；3)记目标经过时间tT后所处的位置为预测命中点；4)计算导弹到达上述预测命中点所需时间tMtM＝RMP/VM(2)其中，RMP是导弹到预测命中点的距离，VM是导弹的速度大小；5)计算时间差Δt＝|tT-tM|(3)6)如果Δt≤ε，则迭代结束，其中ε为误差精度；否则，用黄金分割法修正时间tT7)重复步骤3)；步骤2：边界趋近制导律绘制边界趋近制导律辅助说明示意图：点E为禁飞区圆心，定义垂直于向量的单位向量pEM其中，和分别为向量的x和y方向的分量；H为导弹到禁飞区边界的距离，σ∈[-π,π)为导弹速度矢量VM与pEM的夹角，顺时针旋转为正；加速度指令ac垂直于速度矢量VM；则导弹在水平面内的运动方程为其中，r是禁飞区半径，VM为导弹速度大小，ac为导弹加速度大小；通过模拟阻尼谐振荡器，设计加速度指令大小为其中，ξ为阻尼系数，ωn为自然频率；定义为垂直于导弹速度VM的单位矢量其中，和分别为VM的x和y方向的分量，则导弹指令加速度的方向向量为则边界趋近制导律的加速度指令为ac＝ac·iac(10)步骤3：速度指向修正一些情况下，边界趋近制导律可能会控制导弹沿较长的弹道绕过禁飞区，若仅在边界趋近制导律的作用下，导弹将沿较长的弹道绕过禁飞区，导致导弹的飞行时间变长，能量消耗增加；因此，需设计速度指向修正以辅助边界趋近制导律获得较短的飞行弹道；当公式(12)满足时，速度指向修正启动；此时，速度指向修正控制导弹以最大的可用过载nmax进行转弯，指令加速度为其中g为重力加速度；其中，为导弹指向预测命中点的向量；此外，还需考虑最大可用过载nmax对速度指向修正作用的影响，当公式(13)满足时，速度指向修正不被激活，直接进入边界趋近制导律制导阶段；其中r′为导弹最小转弯半径，O′F为导弹转弯中心距离禁飞区圆心E和预测命中点p连线的距离，r为禁飞区半径，O′E为导弹转变中心到禁飞区圆心E的距离；

【专利技术属性】
技术研发人员：陈万春，赵鹏雷，余文斌，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11