本發(fā)明涉及一種具有時空約束的中制導方法，尤其涉及一種適用于巡飛彈的帶入射角約束和到達時間約束的制導方法，屬于制導控制領域。

背景技術：

1、現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境日益復雜，敵方高價值目標通常具備多層次防御系統(tǒng)，給制導武器的突防帶來極大挑戰(zhàn)。依靠單個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武器的突防能力，已成為制導武器領域的研究熱點。

2、巡飛彈是一種能夠在指定任務區(qū)域進行巡飛，執(zhí)行滯空偵察、目標打擊和效果評估等作戰(zhàn)任務的新型智能化彈藥。與高超聲速導彈等相比，巡飛彈成本較低，使用高效靈活。通過巡飛彈集群協(xié)同作戰(zhàn)的方式，可以在不大幅增加制導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)同制導的理論研究和方法主要集中在末制導階段。巡飛彈具有較長的航程，為實現(xiàn)多個巡飛彈對同一目標的協(xié)同打擊任務，需要經(jīng)過協(xié)同中制導后進行協(xié)同末制導。在中制階段，飛行器在期望時間內(nèi)到達指定空域并滿足一定入射角約束可以為末制導提供有利的初始條件?，F(xiàn)有實現(xiàn)中制導的方法主要有偽譜法等數(shù)值優(yōu)化法，在實際應用時存在搜索空間大，求解速度慢等問題。由于彈載計算機計算能力的限制，難以保證中制導的實時性。

4、考慮以上因素，針對巡飛彈，提出一種可以滿足入射角度和到達時間約束的中制導方法是非常必要的。

技術實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有巡飛彈中制導方法的不足，本發(fā)明的主要目的是提供一種具有時空約束的中制導方法，以巡飛彈控制能量最優(yōu)為優(yōu)化目標，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、最小轉彎半徑約束、入射角和到達時間約束為約束條件，構建中制導問題，在發(fā)射前利用發(fā)射平臺的計算資源根據(jù)中制導問題規(guī)劃巡飛彈巡航段的中制導期望航跡點；采用道格拉斯-普克算法對發(fā)射平臺規(guī)劃好的航跡點進行抽稀，并將提取的包含位置、期望入射角和到達時間信息的航跡點裝訂至巡飛彈的制導控制模塊；將入射角約束制導律作為基準制導律，對采用基準制導律的巡飛彈的剩余飛行時間進行估計；利用剩余飛行時間估計值設計到控制到達時間的偏置項，利用基準制導律和偏置項構建入射角和到達時間約束制導律；根據(jù)入射角和到達時間約束制導律，巡飛彈依次經(jīng)過裝訂的中制導期望航跡點，實現(xiàn)對禁飛區(qū)規(guī)避并以期望時間和入射角到達中末制導交接班位置，實現(xiàn)巡飛彈的巡航段中制導。由于巡飛彈根據(jù)入射角和到達時間約束制導律跟蹤的中制導期望航跡點利用利用發(fā)射平臺的計算資源求取，降低巡飛彈彈載計算機算力要求。本發(fā)明具有同時兼顧到達時間、入射角度約束和禁飛區(qū)繞飛需求，對巡飛彈彈載計算機算力要求低、中制導實時性高的優(yōu)點。所述期望航跡點包括位置、期望入射角和到達時間信息。

2、本發(fā)明公開的一種具有時空約束的巡飛彈中制導方法，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，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、最小轉彎半徑約束、入射角和到達時間約束為約束條件，構建中制導問題。利用發(fā)射平臺的計算資源采用數(shù)值方法對中制導問題進行求解，獲得滿足約束的中制導期望航跡點。

4、以巡飛彈控制能量最優(yōu)為優(yōu)化目標，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、最小轉彎半徑約束、入射角和到達時間約束為約束條件，構建中制導問題如式(1)所示

5、

6、其中，j表示目標函數(shù)，u表示虛擬控制量且滿足|u|≤1，tf表示到達目標點的期望時間，xm表示巡飛彈在慣性系x軸的坐標，ym表示巡飛彈在慣性系y軸的坐標，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彎半徑，xo,i表示第i個禁飛區(qū)中心在慣性系x軸的坐標，yo,i表示第i個禁飛區(qū)中心在慣性系y軸的坐標，ri表示距離第i個禁飛區(qū)中心的距離，xd和yd表示目標點位置，γd表示到達目標點的期望入射角，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)所示中制導問題，得到滿足禁飛區(qū)繞飛需求、最小轉彎半徑約束、入射角和到達時間約束的中制導期望航跡點。所述期望航跡點包含位置、期望入射角和到達時間信息。

8、步驟二、采用道格拉斯-普克算法對步驟一規(guī)劃出的中制導期望航跡點進行抽稀，并將提取的包括期望位置、入射角度和到達時間信息的航跡點注入巡飛彈的制導控制模塊，通過對中制導期望航跡點進行抽稀減少需要跟蹤的期望航跡點的數(shù)量。將入射角約束制導律作為基準制導律，根據(jù)基準制導律推導得到解析的剩余飛行時間預測公式。以巡飛彈和當前航跡點的位置、巡飛彈的速度大小和彈道偏角等條件為輸入，根據(jù)剩余飛行時間預測公式確定剩余飛行時間tgo,j。

9、步驟2.1：采用道格拉斯-普克算法對發(fā)射平臺規(guī)劃的期望航跡的進行抽稀，共獲得m個航跡點。每個航跡點信息包括期望位置、入射角度和到達時間。

10、步驟2.2：建立巡飛彈與第j個(j＝2,3,...m)航跡點間的相對運動方程，設計具有入射角控制能力的基準制導律，對巡飛器在基準制導律作用下到達第j個航跡點的剩余飛行時間進行預測。

11、巡飛彈與第j個航跡點的相對運動方程表示為

12、

13、

14、

15、

16、其中，rj表示巡飛彈與第j個航跡點間的相對距離，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、基準制導律的法向加速度指令為

18、

19、其中，n表示正的導航比，γd,j表示巡飛彈到達第j個航跡點的期望入射角，表示巡飛彈到達第j個航跡點的入射角的預測值且滿足

20、

21、在基準制導律作用下，巡飛彈到達第j個航跡點的剩余飛行時間為

22、

23、根據(jù)式(8)對在基準制導律作用下巡飛彈到達第j個航跡點的剩余飛行時間進行預測。

24、步驟三、將到達第j個航跡點的期望時間tj和步驟二中得到的剩余飛行時間tgo,j和當前時間的差值δj定義為到達時間控制誤差。基于達時間控制誤差的初值和期望收斂時間設計期望變化率構建偏置項使巡飛彈的到達時間控制誤差δj遵循所設計的期望變化率利用基準制導律和偏置項構建入射角和到達時間約束制導律。根據(jù)入射角和到達時間約束制導律確保到達時間控制誤差δj在巡飛彈到達第j個航跡點前實現(xiàn)收斂，使巡飛彈以期望入射角和期望時間到達第j個航跡點，即實現(xiàn)對巡飛器的帶入射角和到達時間約束的制導。

25、步驟3.1：確定到達時間控制誤差δj的期望變化率

26、到達時間控制誤差δj表示期望到達時間tj和剩余時間預測值tgo,j以及當前時間的差值。當控制δj收斂到零時，進而可實現(xiàn)巡飛彈在期望時間到達第j個航跡點。由到達時間控制誤差δj的定義得

27、

28、由于從第j1個航跡點到達第j個航跡點的飛行時間是有限的，因此確保到達時間控制誤差δj在巡飛彈到達第j個航跡點之前收斂到零非常重要。同時，需要使巡飛彈在制導過程中保證與第j個航跡點之間的距離單調(diào)減小，保證前置角σj小于90°。為了確保到達時間控制誤差δj在巡飛彈到達第j個航跡點之前收斂到零，構建到達時間控制誤差δj的期望變化率如下式所示：

29、

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

31、步驟3.2：確定制導方法偏置項以使到達時間控制誤差δj遵循式(10)中的期望變化率，實現(xiàn)對巡飛器的帶入射角和到達時間約束的制導。

32、設計如下的帶入射角和到達時間約束制導律

33、am＝ab+at????(11)

34、其中，ab表示基準制導律，用于保證零脫靶量和期望入射角；at表示偏置項，用于保證達時間控制誤差δj滿足式(10)中的期望變化率，進而滿足到達時間約束。

35、由式(4)(8)和(9)得

36、

37、其中，

38、

39、根據(jù)式(10)和(12)得偏置項為

40、

41、結合式(6)(11)和(14)即得到帶入射角和到達時間約束的法向加速度指令，使巡飛彈的到達時間控制誤差滿足式(10)中的期望變化率，確保到達時間控制誤差δj在巡飛彈到達第j個航跡點前實現(xiàn)收斂，使巡飛彈以期望入射角和期望時間到達第j個航跡點。

42、步驟四、步驟一利用發(fā)射平臺的計算資源采用數(shù)值方法對中制導問題進行求解，獲得滿足約束的中制導期望航跡點，步驟二通過對步驟一獲得的中制導期望航跡點進行抽稀減少需要跟蹤的期望航跡點的數(shù)量，并將抽稀后獲得的包括期望位置、入射角度和到達時間信息的航跡點注入巡飛彈的制導控制模塊。巡飛彈根據(jù)所裝訂的航跡點信息和當前飛行狀態(tài)信息，根據(jù)步驟三構建的帶入射角和到達時間約束制導律推求法向加速度指令，直至巡飛彈以期望入射角和到達時間飛抵目標區(qū)域，完成滿足時空約束的中制導。

43、步驟4.1：步驟一利用發(fā)射平臺的計算資源采用數(shù)值方法對中制導問題進行求解，獲得滿足約束的中制導期望航跡點，步驟二通過對步驟一獲得的中制導期望航跡點進行抽稀減少需要跟蹤的期望航跡點的數(shù)量。將抽稀后得到的m個航跡點裝訂到巡飛器的制導控制模塊。取一定值rm，預設初值j＝2，并將第j個航跡點作為當前目標航跡點。

44、步驟4.2：巡飛彈根據(jù)當前目標航跡點信息和飛行狀態(tài)信息，根據(jù)步驟三構建的制導律推求法向加速度指令，對期望航跡進行實時反饋跟蹤。

45、步驟4.3：計算巡飛彈當前位置與當前目標航跡點間的距離rj。若rj＞rm，重復步驟4.2；若rj≤rm且j＜m，令j＝j+1，并將第j航跡點作為當前目標航跡點；若rj≤rm且j＝m，巡飛彈到達指定位置，完成滿足時空約束的中制導。

46、有益效果：

47、1、本發(fā)明公開的一種具有時空約束的中制導方法，在發(fā)射前利用發(fā)射平臺的計算資源根據(jù)中制導問題規(guī)劃巡飛彈巡航段的中制導期望航跡點，通過對中制導期望航跡點進行抽稀減少需要跟蹤的期望航跡點的數(shù)量；在此基礎上，將入射角約束制導律作為基準制導律，對采用基準制導律的巡飛彈的剩余飛行時間進行估計并利用剩余飛行時間估計值設計到控制到達時間的偏置項，利用基準制導律和偏置項構建入射角和到達時間約束制導律，對中制導期望航跡點進行跟蹤，將復雜非線性的巡飛彈中制導問題轉化為有限個航跡點間的帶入射角和到達時間約束的制導問題，降低巡飛彈中制導問題的復雜度和對巡飛彈彈載計算機的算力需求，提高中制導的實時性。

48、2、本發(fā)明公開的一種具有時空約束的中制導方法，針對單一的角度和時間約束制導方法無法兼顧禁飛區(qū)繞飛需求的問題，利用發(fā)射平臺的計算資源根據(jù)中制導問題規(guī)劃巡飛彈考慮禁飛區(qū)需求的中制導期望航跡點，通過對中制導期望航跡點進行抽稀減得到有限個期望航跡點，利用入射角和到達時間約束制導律對期望航跡點進行跟蹤，將滿足禁飛區(qū)繞飛需求的期望航跡引入角度和時間約束制導中，在滿足到達時間和入射角約束的同時滿足禁飛區(qū)繞飛需求。

49、3、本發(fā)明公開的一種具有時空約束的中制導方法，針對到達時間控制誤差需要在有限時間內(nèi)實現(xiàn)收斂的問題，采用指定時間控制理論設計誤差反饋項修正到達時間，能夠保證到達時間控制誤差在指定時間內(nèi)收斂到零，提高到達時間控制性能。