基于微分對(duì)策的導(dǎo)彈智能機(jī)動(dòng)突防研究

鮮勇，田海鵬，王劍，史金倩

(1.第二炮兵工程大學(xué)7系，陜西西安710025;2.中國(guó)人民解放軍96630部隊(duì)，北京100025)

0 引言

隨著不斷地發(fā)展和試驗(yàn)，美國(guó)中段防御系統(tǒng)日趨成熟，其部署對(duì)我國(guó)導(dǎo)彈的中段飛行構(gòu)成了重要威脅［1］。為提高導(dǎo)彈的作戰(zhàn)效能，必須進(jìn)行有效的突防。隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新，突防手段實(shí)現(xiàn)了多樣化，其中彈頭中段機(jī)動(dòng)成為重要的突防手段。考慮彈頭的有效載荷和機(jī)動(dòng)過載限制，機(jī)動(dòng)的時(shí)機(jī)和方向?qū)楊^成功突防起著非常重要的作用。彈頭中段飛行過程中，由美國(guó)防御系統(tǒng)釋放的動(dòng)能攔截器EKV(Exo-atmospheric Kinetic Vehicle)和彈頭形成撞擊-規(guī)避關(guān)系，可看成是“二人零和”博弈［2］問題。文獻(xiàn)［3］基于微分對(duì)策對(duì)導(dǎo)彈中段突防進(jìn)行了初步的研究，得出選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)機(jī)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)有效突防的結(jié)論。文獻(xiàn)［4］用遺傳算法求解沖量機(jī)動(dòng)突防時(shí)機(jī)的突防方案，得出沖量機(jī)動(dòng)在攔截末段最有效的結(jié)論。上述方法對(duì)分析彈頭和EKV進(jìn)行博弈的過程具有重要意義，但未對(duì)彈頭全局的機(jī)動(dòng)策略進(jìn)行考慮。由于微分對(duì)策方法要求大量的計(jì)算，彈上的計(jì)算機(jī)無法滿足要求，此方法尚未發(fā)展到實(shí)際應(yīng)用的水平。

本文基于智能微分對(duì)策理論，建立了彈頭與EKV對(duì)抗模型，將脫靶量和能量消耗作為EKV與彈頭對(duì)抗指標(biāo)，考慮彈頭機(jī)動(dòng)過載和控制變量的約束，建立了使用該方法的突防決策模型，并通過仿真驗(yàn)證了該方法的有效性。

1 彈頭與EKV對(duì)抗模型

1.1 模型假設(shè)

為了便于研究，采用如下假設(shè):

(1)彈頭和EKV可視為質(zhì)點(diǎn);

(2)EKV末段攔截起點(diǎn)處于零控?cái)r截狀態(tài)［5］;

(3)EKV 的最大軌控加速度為4g［6］;

(4)EKV的速度為6～7 km/s;

(5)EKV捕獲彈頭時(shí)彈目距離為200 km［6］。

1.2 彈頭運(yùn)動(dòng)狀態(tài)方程

彈頭進(jìn)行中段飛行時(shí)僅考慮地球引力、柯氏及牽連慣性力。設(shè)發(fā)射系［7］下運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變量為m=［xm，ym，zm，vmx，vmy，vmz］T，加速度矢量為 um=［amx，amy，amz］T，則彈頭在自由段的加速度為:

1.3 EKV運(yùn)動(dòng)狀態(tài)模型

EKV運(yùn)動(dòng)狀態(tài)方程和彈頭相似，不同點(diǎn)在于加速度矢量不同。設(shè)EKV的加速度矢量為un=［anx，any，anz］T。EKV 采用擴(kuò)展比例導(dǎo)引律，導(dǎo)引方程為［6，8］:

式中，K為比例導(dǎo)引系數(shù);vr為EKV在彈頭發(fā)射坐標(biāo)系中的徑向速度大小為視線角速度;為EKV對(duì)彈頭加速度的估計(jì)。其中:

式中，θE，φE分別為EKV速度在其牽連坐標(biāo)系中的俯仰角和偏航角;θL，φL分別為彈目視線在EKV牽連坐標(biāo)系中的俯仰角和偏航角;TE為EKV的幀頻。

根據(jù)模型需要，本文建立如圖1所示的坐標(biāo)系。圖中，OeExeEyeEzeE為EKV牽連坐標(biāo)系;O1Ex1Ey1Ez1E為EKV彈體系。

EKV 彈體系上的加速度為［0，aE］T，其中 aE=并且不超過 4g。則有:

圖1 EKV模型中的坐標(biāo)系Fig.1 Coordinate system of the EKV model

2 機(jī)動(dòng)方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)彈頭借助雙星預(yù)警系統(tǒng)［7］，在EKV捕獲目標(biāo)后(此時(shí)彈目距離小于200 km)，計(jì)算出EKV的位置和速度信息并傳輸給彈頭。

2.1 機(jī)動(dòng)策略

設(shè)彈頭在質(zhì)心位置處垂直于射面的正負(fù)兩個(gè)方向各安裝1個(gè)噴管，能產(chǎn)生2g的加速度。參照文獻(xiàn)［8］得出的彈頭進(jìn)行發(fā)射系z(mì)軸負(fù)向機(jī)動(dòng)時(shí)效果最好的結(jié)論，本文設(shè)計(jì)的彈頭在進(jìn)行機(jī)動(dòng)突防時(shí)，垂直于發(fā)射坐標(biāo)系Oxmym面機(jī)動(dòng)，如圖2所示。

圖2 垂直發(fā)射坐標(biāo)系Oxmym面機(jī)動(dòng)Fig.2 Maneuver to the vertical Oxmym plane of the launch coordinate

2.2 試探性機(jī)動(dòng)

由于EKV在捕獲彈頭時(shí)處于零控?cái)r截狀態(tài)，并且當(dāng)彈頭在EKV與彈頭相距200 km機(jī)動(dòng)時(shí)，在EKV的紅外導(dǎo)引頭上產(chǎn)生的橫向視線角變化率最小，即此時(shí)的EKV探測(cè)彈頭軌道變化的靈敏度較低，因此彈頭向一個(gè)方向作一次持續(xù)的機(jī)動(dòng)有利于擴(kuò)大終端脫靶量。

本文設(shè)定EKV捕獲彈頭時(shí)的時(shí)間為t1，此時(shí)彈頭開始垂直發(fā)射系Oxmym面負(fù)向機(jī)動(dòng)，機(jī)動(dòng)持續(xù)時(shí)間Δt。由于EKV末段攔截時(shí)間為17～20 s，所以彈頭試探性機(jī)動(dòng)時(shí)間不長(zhǎng)，要為智能機(jī)動(dòng)突防留下時(shí)間，可設(shè) Δt=8 s。

3 微分對(duì)策數(shù)學(xué)模型

借助微分對(duì)策思想，將連續(xù)問題離散化，設(shè)攔截彈(E)、彈頭(V)為對(duì)策雙方，博弈的流程如圖3所示。

圖3 攔截彈和彈頭的博弈流程Fig.3 Game process of the interceptor missile and the warhead

系統(tǒng)的狀態(tài)方程和初始狀態(tài)為:

式中，x(k)為對(duì)策系統(tǒng)狀態(tài);u(k)，v(k)分別為V方和 E 方的控制變量，u(k)∈Uk=［－1，0，1］;u(k)=－1時(shí)彈頭以2g的加速度垂直于發(fā)射系Oxmym面作負(fù)向機(jī)動(dòng);u(k)=0時(shí)彈頭不作機(jī)動(dòng);u(k)=1時(shí)彈頭以2g的加速度垂直發(fā)射系Oxmym面作正向機(jī)動(dòng)。

系統(tǒng)以EKV的脫靶量和彈頭實(shí)施機(jī)動(dòng)所消耗的控制能量為考核目標(biāo)，設(shè)代價(jià)函數(shù)為:

式中，θ(x(kf)，kf)為終端脫靶量;L(x(k)，u(k)，v(k)，k)= －u(k)2/400。

假設(shè)x(k)，u(k)分別為n維和m維列向量，b(k)為s維列向量，f，L，g是其所有變量的連續(xù)可微函數(shù)。集合Uk由不等式g(u(k)，k)≥b(k)，k=k0，k0+1，…，kf－ 1 給出，例如:gi(u(k)，k)=bi(k)=0。

最優(yōu)控制問題是:求u(k)使u(k)∈Uk并使J最大。下面將最優(yōu)控制問題化為非線性規(guī)劃問題。設(shè)

規(guī)定xn+1(k0)=0，則有:

令

則狀態(tài)方程可寫成:

稱為增廣系統(tǒng)的狀態(tài)方程。得到的非線性規(guī)劃問題為:

考慮拉格朗日函數(shù):

拉格朗日函數(shù)化為:

非線性規(guī)劃問題式(9)～式 (11)的解滿足的必要條件如下:

應(yīng)用非線性規(guī)劃問題解的充分性條件的定理，如果Hk是凹的，g(u(k)，k)是凸的，那么條件式(17)、式(18)保證 u(k)使式(13)作為 u(k)的函數(shù)，在約束條件g(u(k)，k)≥b(k)下達(dá)到最大值，即條件式(17)、式(18)可用條件

代替。由必要條件式(16)及 c=［0，…，0，1］得:

又由于Hk不顯含xn+1，因此，式(15)的最后一個(gè)方程為 Δλn+1(k)=0，于是 λn+1(k)=1，哈密頓函數(shù)可改寫為:

這樣，上述必要條件歸結(jié)為:x*，u*，λ*滿足

4 仿真及分析

下面以一條典型的戰(zhàn)略導(dǎo)彈彈道為例，進(jìn)行導(dǎo)彈中段智能突防的仿真研究。

通過計(jì)算，得出彈頭不作機(jī)動(dòng)時(shí)的彈頭軌跡和EKV的攔截軌跡，如圖4所示。仿真結(jié)果表明，攔截結(jié)束時(shí)脫靶量小于3 m，EKV攔截成功，驗(yàn)證了本文所建攔截器模型的正確性。

圖4 彈頭與EKV的飛行軌跡Fig.4 Flight trajectory of the warhead and the EKV

本文設(shè)定EKV的導(dǎo)引系數(shù)K=3，彈頭機(jī)動(dòng)時(shí)間t1=1 536.96 s，持續(xù)時(shí)間Δt=8 s。當(dāng)彈頭用本文的微分對(duì)策模型得出的控制量進(jìn)行機(jī)動(dòng)時(shí)，得到的脫靶量為8.5 m，EKV攔截失敗，驗(yàn)證了本文方法的有效性。

將目標(biāo)彈頭作垂直于發(fā)射系Oxy平面的負(fù)向機(jī)動(dòng)和不作機(jī)動(dòng)時(shí)的EKV橫向視線角(λx)變化和視線角速率()進(jìn)行對(duì)比，如圖5和圖6所示。

圖5 EKV橫向視線角變化曲線Fig.5 Horizontal line of sight angle curve of the EKV

圖6 EKV橫向視線角速率變化曲線Fig.6 Horizontal line of sight angular rate curve of the EKV

由EKV的攔截結(jié)果可知，當(dāng)彈頭不作機(jī)動(dòng)時(shí)，擴(kuò)展比例導(dǎo)引律能有效抑制視線角速率的發(fā)散，使脫靶量很小;當(dāng)彈頭利用微分對(duì)策的方法進(jìn)行智能機(jī)動(dòng)時(shí)，EKV測(cè)得的視線角和角速率出現(xiàn)了較快的發(fā)散。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于微分對(duì)策理論，研究了彈頭在中段飛行中的機(jī)動(dòng)突防問題，將彈頭和EKV看作“二人零和”博弈的主體，建立了微分對(duì)策模型，得出彈頭的最優(yōu)規(guī)避策略。仿真結(jié)果驗(yàn)證了方法的有效性，得到的最優(yōu)策略集可制成指令庫(kù)裝訂到彈頭上。該方法為微分對(duì)策理論在彈上的實(shí)現(xiàn)提供了重要的理論參考。

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