關于導彈制導規(guī)律的發(fā)展過程及重要意義

王博翰 吳斌雙 朱爾隆 朱燁森

(大連理工大學,遼寧大連 116024)

關于導彈制導規(guī)律的發(fā)展過程及重要意義

王博翰 吳斌雙 朱爾隆 朱燁森

(大連理工大學,遼寧大連 116024)

導彈制導規(guī)律即導引規(guī)律是指根據(jù)導彈和目標的運動信息,制導導彈按照一定的飛行軌跡去攔擊目標的規(guī)律,導引規(guī)律所要解決的問題是導彈攔擊目標的飛行彈道問題,它是導彈火控關鍵技術之一。本文主要就導彈導引律的研究歷史和現(xiàn)狀展開,介紹了導引律的發(fā)展過程及意義。

導彈制導規(guī)律 導引律 制導

1 研究背景及意義

導彈制導規(guī)律即導引規(guī)律是指根據(jù)導彈和目標的運動信息，制導導彈按照一定的飛行軌跡去攔擊目標的規(guī)律，導引規(guī)律所要解決的問題是導彈攔擊目標的飛行彈道問題，它是導彈火控關鍵技術之一。選擇不同的導引律直接決定導彈能否精確打擊目標，它根據(jù)彈目雙方的相對位置、速度和加速度等基本物理量，導引導彈不斷靠近目標，最終實施攻擊。由于目標的移動往往難于預測，因此針對移動目標的攻擊導引技術是導引律研究的重點，為此人們采用了不同的理論和方法研究了針對移動目標的導引律，盡量提高導引性能。并且導彈武器系統(tǒng)的殺傷效果好與差主要取決于導彈彈頭的裝藥量和導彈的制導精度，為提高導彈命中精度而設計合適的導引律尤其關鍵。為了適應現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需要，經(jīng)過幾代人堅持不懈地努力與奮斗，在形式和內(nèi)涵上比例導引律都在不斷發(fā)生深刻的變化和革新。

2 導引律的研究現(xiàn)狀

歷年來提高導彈制導精度一直都是人們堅持不懈為之奮斗的目標，在將來空戰(zhàn)中要攔截大空域、高速機動飛行的目標時，導引律很大程度上可以決定戰(zhàn)斗走勢，將發(fā)揮十分關鍵的作用。導彈能否避免脫靶取決于導彈制導規(guī)律即導引律的設計，而導引律的設計需要綜合考慮與衡量導彈的過載能力、作戰(zhàn)半徑、脫靶率、技術改進、制導設施、戰(zhàn)術應用等多方面。盡管目前已經(jīng)提出了許多如最優(yōu)制導律、自適應制導律、微分對策及神經(jīng)網(wǎng)絡制導律等現(xiàn)代制導規(guī)律，在戰(zhàn)術導彈制導系統(tǒng)中真正使用的基本全是古典制導律，在實際作戰(zhàn)應用中理論相對成熟的比例導引及其變體得到大規(guī)模應用。下文主要介紹比例導引及其改進形式的研究現(xiàn)狀。

2.1 比例導引

比例導引律是最早出現(xiàn)的導引律，由于該項目的優(yōu)勢在于易于實現(xiàn)的，幾十年來一直被廣泛用作艦載機的跟蹤，導彈攔截器和飛船對接。相對其他各種復雜的導引律而言，比例導引對移動目標的準確信息要求較低，這樣就能減少機載傳感器和制導系統(tǒng)的產(chǎn)生的誤差積累，來提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性。鑒于比例導引的重要性，在軌道攔截性能指導人們作了大量的分析和研究。

比例導引(PN)是在戰(zhàn)術導彈(包括防空導彈)應用中非常廣泛的尋的導引律。根據(jù)控制命令加速度不同的參考方向，比例導引法，大概分為三種：一種是以跟蹤速度矢量為參考標準：純比例導引(PPN)；第二種是跟蹤和瞄準視線的基準點之間的線路：例如真比例導引律(TPN)和廣義比例導引律(GPN)；第三種是以導彈和目標的相對速度的參考基準：例如理想比例導引(IPN)等。比例導引律經(jīng)過多年來許多專家學者的努力改進，它在形式的變化和意義都發(fā)生了許多創(chuàng)新。

2.2 改進的比例導引

由于戰(zhàn)爭目標機動能力強，人們?yōu)楦倪M比例導引律的導引性能，來滿足嚴峻的環(huán)境干擾條件和高命中率和高殺傷力的要求，在比例導引律改進方面做出了很多努力。有偏比例導引是用來改進純比例導引的另一種形式。由于引入了一個額外的參數(shù)(即速率偏差)，這種有偏的比例導引可能用更小的控制量來實現(xiàn)預先給定的攔截。這是用控制火箭來產(chǎn)生橫向控制力的大氣層外運行的一個重要優(yōu)勢，總的控制量(即橫向合力)確定控制發(fā)動機的燃料要求。

考慮推導出的運動基于線性的相對運動方程的解析解的方程的空間終端攔截的情況下，從本導引律所計算出的解析解與非線性方程的數(shù)值解來看，它們的仿真結(jié)果是相同的，并且可以不用分析最優(yōu)制導的復雜結(jié)構(gòu)。文獻對于這個特殊的使命，以攔截戰(zhàn)術導彈，分析面臨的制導律設計上的缺點和比例導引法的一個新問題，為了解決這一問題，增加了目標導彈的機動加速度和軸向加速度等參數(shù)，比例導引律進行了改進，并且優(yōu)化了各種參數(shù)。通過仿真發(fā)現(xiàn)這種導引律下導彈不但具有合理的過載分布方式，而且導引律結(jié)構(gòu)表達式簡單，有很強的實用性。文獻給出了一種控制能源消耗最小的最佳性能制導律，并為了滿足一定的跟蹤垂直入射碰撞點要求，并且給出修訂后的垂直平面的攻擊點。

2.3 三維比例導引研究現(xiàn)狀

例如，李雯雯 針對機動目標，在三維空間下建立了導彈-目標追逃運動模型，設計了增廣比例導引律。Gurfil等提出了一種類似比例導引的新古典主義制導律，只需要知道視線轉(zhuǎn)率信息，就能夠以優(yōu)于比例導引的特性，零脫靶量攔截高機動目標。Tyan分析了三維普通理想比例導引律(GIPN)的捕獲區(qū)域，使用固定在自然坐標系下的視線角和三個改進的極坐標變量，使得導彈和目標之間的相對動力學方程不含有三角函數(shù)，從而易于分析當目標和導彈有界機動時的捕獲區(qū)域。Prasanna和Ghose提出了一種新的比例導引律，可以攔截比攔截器的速度大的目標，典型的場景就是攔截彈道目標；與傳統(tǒng)比例導引律相比，新型比例導引律以大的攔截時間為代價，能夠以較小的終端縱向加速度攔截高速目標。Tyan采用了改進的極坐標系來描述導彈和目標的相對運動，將已有的二維空間的幾種比例導引律IPN、TPN和PPN擴展到了三維空間。以上導引律雖然有些在導彈和目標運動模型上進行了改進，有些對目標機動進行了考慮，從而獲得了一定的制導精度。

3 導引律的發(fā)展方向

面對彈目追擊問題的日益復雜化，制導方程也逐步呈現(xiàn)出強干擾、強不確定性和強非線性的“三強”特點。這對末端導引律的設計也提出了很大挑戰(zhàn)，在簡要分析了目前導引律研究現(xiàn)狀的基礎上，可以窺見未來的末制導研究正在或?qū)尸F(xiàn)出以下趨勢：首先，研究維度逐漸從二維平面擴展至三維空間，這樣更加趨近于彈目追蹤的真實情況；日益將俯仰和偏航通道的耦合問題作為研究的重點，而且不再局限于目標做非機動或有限機動飛行的假設。未來交戰(zhàn)的復雜性勢必要求目標具有大機動、強規(guī)避的能力，且由于測量的誤差和空氣動力的變化，制導問題將會受到劇烈的干擾和不確定性的影響，如何應對這一趨勢也是制導律研究的重要方向。再次，不再單一采用基于碰撞點附近線性化的方式進行研究，逐步將非線性的本質(zhì)問題引入設計之中，且更加注重經(jīng)典導引律、現(xiàn)代導引律和非線性導引律的結(jié)合使用。最后，將逐漸突破導引問題和控制問題的隔離式研究，未來的導引律會考慮將控制部分的動特性和末端姿態(tài)要求等各項指標添加至設計當中，從而實現(xiàn)導彈制導、控制的一體化設計。

[1]顧從標,湯慶釗,胡剛.精確制導武器對現(xiàn)代戰(zhàn)爭的影響[J].飛航導彈,2006.

[2]周卿吉,許誠.微分對策制導律研究的現(xiàn)狀及展望[J].系統(tǒng)工程與電子技術,1997.