一种拦截高速高机动目标的协同末制导方法技术

本发明专利技术涉及一种拦截高速高机动目标的协同末制导方法，通过采用一种新的基于可达集分析的协同制导方法与编队策略，在线性化运动学所需假设不成立的情形中，通过非线性运动学来进行分析；通过用拦截弹可达集覆盖目标可达集的方法，将目标可达集分割并分配给各拦截弹，构建优势拦截编队阵形，各拦截弹通过末制导律和相应的触发时间实现多弹协同拦截，从而提升协同拦截效果，并且对不同性能的飞行器具有较好的兼容性。好的兼容性。好的兼容性。

【技术实现步骤摘要】
一种拦截高速高机动目标的协同末制导方法


[0001]本专利技术涉及航空航天
，特别涉及一种拦截编队方法和协同制导策略，该方法适用于航空航天器的制导与控制。

技术介绍

[0002]现有关于拦截高速高机动目标的协同末制导研究较少，主要基于线性化运动学假设下的研究。线性化运动学一般包含两个假设，其一是弹目航向角θ
Mi
和θ
T
与碰撞轨迹的偏差很小，其二是末制导拦截过程的持续时间很短。线性化运动学假设不适用于应对高速高机动目标的场景，在解决协同制导方面的问题时，存在线性化假设不成立、制导性能不佳等问题。
[0003]现有的基于线性化运动假设的拦截方法中，拦截交会双方与碰撞轨迹的偏离很小，因此双方的加速度方向均垂直于初始视线LOS，在零控脱靶量分析中交会线是固定的，垂直于视线。因此在面对高速高机动目标的多对一拦截过程中，线性化运动假设的制导方法难以实现从不同方位进行协同拦截。

技术实现思路

[0004]要解决的技术问题
[0005]在传统线性化运动学制导方法中，很难实现拦截弹在速度和机动能力方面处于劣势时对高速高机动目标的拦截，在一些特定场景下，采用传统制导方法的拦截成功率不高，为了充分将拦截弹群数量优势转化为拦截优势，需要设计一种新型的协同拦截方法与编队策略。
[0006]本专利技术采用基于可达集分析的末制导协同拦截高速高机动目标的策略，旨在提出一种有效的拦截弹群的编队阵形和协同策略，解决现有传统线性化运动学不适用于描述高机动飞行的问题，充分地将拦截弹群的数量优势转化为拦截优势，有效提高拦截效果。
[0007]技术方案
[0008]一种拦截高速高机动目标的协同末制导方法，其特征在于步骤如下：
[0009]步骤1：建立导弹和目标之间的数学模型
[0010]假设有n个拦截弹M
i
和一个机动目标T，其中i＝1，2，3
……
n
‑
1,n；建立惯性坐标系X
I
‑
O
I
‑
Y
I
，下标M和T分别表示拦截弹和目标，r
i
表示是第i枚拦截弹和目标之间的视线距离，λ
i
为对应的视线角；
[0011]双方的运动方程以及相关约束为：
[0012][0013]|a
i
|≤a
i,max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0014][0015][0016]其中的下标i∈{T,M1,
…
,M
n
}表示某一枚拦截弹或目标，V
i
和θ
i
是其速度和航向角，(x
i
,y
i
)是对应的坐标，a
i
是垂直于其速度方向的加速度，a
i,max
为加速度上限；
[0017]步骤2：对各个导弹的可达集进行分析
[0018]式(1)中的运动学方程可以表示为如下形式：
[0019][0020]其中x和u
i
(t)表示状态向量(x
i
,y
i
,θ
i
)和控制输入，则t+Δt时刻的状态向量为
[0021][0022]某一导弹或目标i在t+Δt时刻的可达集定义为在初始位置x
i
(t)下，在t+Δt时刻可以到达的所有可能位置集合，即
[0023][0024]其中u
i
(t,t+Δt)是时间范围[t,t+Δt]内的连续控制指令，Φ表示在式(3)约束内的所有可行控制指令；
[0025]步骤3：基于最短路程来制定最短时间制导策略，进一步分析各导弹与目标的可达集前沿，所述的可达集前沿计算公式如下：
[0026]记所选导弹或目标为i，则其可达集前沿称为RSF
i
，计算公式为：
[0027]RSF
i
(t,t+Δt∣x
i
(t))＝g(V
i
,a
i,max
,x
i
(t),Δt)＝RSF
i,R
∪RSF
i,L
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0028]其中RSF
i,R
和RSF
i,L
分别为以航向为基准的RSF
i
右半边和左半边，计算公式为：
[0029][0030][0031]其中θ
i
为航向角，和为右、左最小半径转弯圆的圆心坐标，分别等于和和是最小转弯半径，其值为V
i2
/a
i,max
；
[0032]步骤4：分析各导弹与目标的交会态势
[0033]定义等时间线ETL为交会双方采用MTG制导策略时可以同时到达的一条连续边界，等时间线上的点定义为等时间点对最早等时间点对应的最快拦截轨迹的总长度进行计算，与最早等时间点对应的拦截轨迹长度为：
[0034][0035]其中r
Mi
和r
T
为导弹M
i
和目标T的最小转弯半径，其值分别等于和和和φ
T
是转弯轨迹对应在最小转弯半径圆中的圆心角，L
tan,i
是两个转弯圆的
公切线长度，L
tan,i
的值随两圆内切或外切而不同：
[0036][0037]其中和是点O1和O2的坐标，r1和r2是对应的转弯半径；导弹M
i
的最早拦截时间记为t
ELT,i
，由总轨迹长度L
ELT,i
和交会双方速度之和V
Mi
+V
T
计算得到，而最早的等时间点就是双方t
ELT,i
时刻对应的可达集切点；
[0038]改进后的非线性运动学下零脱靶量拦截必要条件为：如果目标飞向ETL线上的任意位置，所引起的零控脱靶量ZEM
′
是可消除的，最终实现目标拦截；
[0039]步骤5：制定协同拦截末制导律：
[0040][0041]其中的N为比例系数，t
i
为触发时间，为估计的目标加速度，在此设置为目标的真实加速度，t
go,i
为预估弹目双方交会时间，ZEM
i
是实现协同的关键要素，如下所示：
[0042][0043]式12表明该制导律所形成的轨迹是由直线和最小转弯半径圆弧组成的，上述制导律的轨迹属于Dubins轨迹；如果目标采用MTG制导律飞往ETL
i
线上的任意位置，制导律将等同于MTG，如果目标采用其他制导律飞行，则制导律将以最大能力机动来形成碰撞轨迹；
[0044]使用奇数枚拦截弹M1,
…
,M
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种拦截高速高机动目标的协同末制导方法，其特征在于步骤如下：步骤1：建立导弹和目标之间的数学模型假设有n个拦截弹M
i
和一个机动目标T，其中i＝1，2，3
……
n
‑
1,n；建立惯性坐标系X
I
‑
O
I
‑
Y
I
，下标M和T分别表示拦截弹和目标，r
i
表示是第i枚拦截弹和目标之间的视线距离，λ
i
为对应的视线角；双方的运动方程以及相关约束为：双方的运动方程以及相关约束为：双方的运动方程以及相关约束为：其中的下标i∈{T,M1,
…
,M
n
}表示某一枚拦截弹或目标，V
i
和θ
i
是其速度和航向角，(x
i
,y
i
)是对应的坐标，a
i
是垂直于其速度方向的加速度，a
i,max
为加速度上限；步骤2：对各个导弹的可达集进行分析式(1)中的运动学方程可以表示为如下形式：其中x和u
i
(t)表示状态向量(x
i
,y
i
,θ
i
)和控制输入，则t+Δt时刻的状态向量为某一导弹或目标i在t+Δt时刻的可达集定义为在初始位置x
i
(t)下，在t+Δt时刻可以到达的所有可能位置集合，即其中u
i
(t,t+Δt)是时间范围[t,t+Δt]内的连续控制指令，Φ表示在式(3)约束内的所有可行控制指令；步骤3：基于最短路程来制定最短时间制导策略，进一步分析各导弹与目标的可达集前沿，所述的可达集前沿计算公式如下：记所选导弹或目标为i，则其可达集前沿称为RSF
i
，计算公式为：RSF
i
(t,t+Δt∣x
i
(t))＝g(V
i
,a
i,max
,x
i
(t),Δt)＝RSF
i,R
∪RSF
i,L
ꢀꢀꢀꢀ
(7)其中RSF
i,R
和RSF
i,L
分别为以航向为基准的RSF
i
右半边和左半边，计算公式为：
其中θ
i
为航向角，和为右、左最小半径转弯圆的圆心坐标，分别等于和和是最小转弯半径，其值为V
i2
/a
i,max
；步骤4：分析各导弹与目标的交会态势定义等时间线ETL...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫星辉，任仕卿，徐雨蕾，唐羽中，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：