一種大氣層內(nèi)多殺傷器編隊(duì)飛行控制技術(shù)探討

鄭勇斌，王英煥，李運(yùn)遷，魏明英

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

一種大氣層內(nèi)多殺傷器編隊(duì)飛行控制技術(shù)探討

鄭勇斌，王英煥，李運(yùn)遷，魏明英

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

對(duì)多殺傷器編隊(duì)控制設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行了探討，結(jié)合某種體制探測(cè)目標(biāo)需求，研究了編隊(duì)隊(duì)形約束設(shè)計(jì)、編隊(duì)距離控制方法、編隊(duì)構(gòu)建控制方法、編隊(duì)主動(dòng)機(jī)動(dòng)策略、發(fā)動(dòng)機(jī)推力可控下的編隊(duì)控制技術(shù)和編隊(duì)影響因素分析，并進(jìn)行了仿真對(duì)比；最后指出編隊(duì)控制技術(shù)研究不足以及需要進(jìn)一步研究的地方。

多殺傷器； 編隊(duì)控制 ； 隊(duì)形約束；編隊(duì)距離；編隊(duì)構(gòu)建 ；主動(dòng)機(jī)動(dòng)

0 引言

編隊(duì)控制技術(shù)在機(jī)器人中研究起步較早，后被引入無(wú)人機(jī)的編隊(duì)控制[1]、衛(wèi)星的編隊(duì)控制[2-3]，而在大氣層內(nèi)殺傷器中研究剛剛起步，但是多殺傷器編隊(duì)飛行的作戰(zhàn)模式，已得到越來(lái)越多國(guó)家的青睞。一個(gè)典型代表就是俄羅斯裝備部隊(duì)的“花崗巖”反艦導(dǎo)彈[4]，第1枚“花崗巖”導(dǎo)彈在空中自行鎖定打擊目標(biāo)，同時(shí)減速飛行，等待第2枚直至最后1枚導(dǎo)彈發(fā)射脫離系統(tǒng)之后，采用編隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)向目標(biāo)發(fā)起攻擊。領(lǐng)彈裝備先進(jìn)的探測(cè)與抗干擾系統(tǒng)，根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)情況實(shí)時(shí)修正數(shù)據(jù)，并將攻擊指令分配給低空飛行的攻擊彈，一旦目標(biāo)群中的主要目標(biāo)被摧毀，其他的導(dǎo)彈就可以攻擊剩余的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)最佳戰(zhàn)術(shù)目的。

多殺傷器通過(guò)編隊(duì)飛行實(shí)現(xiàn)信息共享，采取協(xié)同策略可彌補(bǔ)單一傳感器精度局限或者單一殺傷器能力局限，提高整體作戰(zhàn)能力[5-6]。在這種作戰(zhàn)模式下，殺傷器的突防能力、電子對(duì)抗能力、對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)的搜捕能力和攔截能力能得到大幅提升。

1 編隊(duì)控制設(shè)計(jì)內(nèi)容

編隊(duì)控制設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括編隊(duì)體系結(jié)構(gòu)選擇、編隊(duì)隊(duì)形設(shè)計(jì)和編隊(duì)隊(duì)形控制[7]。在具體應(yīng)用過(guò)程中，可根據(jù)實(shí)際情況靈活采用某種思想或多種思想的綜合。

1.1 編隊(duì)體系結(jié)構(gòu)

從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，導(dǎo)彈的編隊(duì)需要面向動(dòng)態(tài)變化環(huán)境，要有利于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的自組織適應(yīng)能力，最大程度地發(fā)揮個(gè)體能力和最高效率地完成任務(wù)。體系結(jié)構(gòu)主要有3種：集中式、分布式和分層式,如圖1所示。具體研究中選取的是集中式體系結(jié)構(gòu)。

1.2 編隊(duì)隊(duì)形設(shè)計(jì)

為了保證隊(duì)形的完整[8]，必須要有一個(gè)隊(duì)形的調(diào)節(jié)機(jī)制，即在編隊(duì)過(guò)程中，必須要有一個(gè)參考點(diǎn)，使各導(dǎo)彈能夠根據(jù)參考點(diǎn)確定自己在隊(duì)列中的位置，從而形成一定的隊(duì)形。參考點(diǎn)的選取方法通常有3種，見(jiàn)圖2所示。具體研究中采取的是中心參考點(diǎn)法和領(lǐng)航參考點(diǎn)相結(jié)合的隊(duì)形設(shè)計(jì)。

1.3 編隊(duì)隊(duì)形控制

編隊(duì)隊(duì)形控制是指多導(dǎo)彈在飛行過(guò)程中，建立并保持預(yù)先決定的隊(duì)形，同時(shí)又要適應(yīng)環(huán)境約束的控制技術(shù)。隊(duì)形控制中一般需考慮空間位置的協(xié)調(diào)和時(shí)間上的協(xié)調(diào)。其中要解決的主要問(wèn)題包括隊(duì)形的建立問(wèn)題、移動(dòng)中隊(duì)形保持問(wèn)題和隊(duì)形切換問(wèn)題[9]。

二是建構(gòu)反本質(zhì)主義的文學(xué)史觀與文學(xué)史多元化書(shū)寫(xiě)的可能。文化研究的反本質(zhì)主義思維打破了固有文學(xué)史的本質(zhì)主義觀念。臺(tái)灣“重寫(xiě)文學(xué)史”的倡導(dǎo)者們提出了“多元”的文學(xué)史觀念。事實(shí)上，文學(xué)史的書(shū)寫(xiě)是歷時(shí)與共時(shí)的交匯，是多種因素相互博弈的結(jié)果。歷時(shí)研究顯示了文學(xué)發(fā)展演變的縱向歷史軌跡；而共時(shí)研究則關(guān)注文學(xué)史內(nèi)部共時(shí)結(jié)構(gòu)的特征以及各種因素之間的相互關(guān)系。[16]文化研究介入“重寫(xiě)文學(xué)史”思潮之中，打破了原先文學(xué)史單一的線性書(shū)寫(xiě)模式。把歷史發(fā)生與共時(shí)結(jié)構(gòu)考察相結(jié)合，更使文學(xué)史書(shū)寫(xiě)呈現(xiàn)了豐富性與開(kāi)放性。

圖1 集中式、分布式、分層式體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Centralized, distributed and delaminated structure

圖2 編隊(duì)隊(duì)形設(shè)計(jì)參考點(diǎn)選取示意圖Fig.2 Selection sketch of reference points in formation design

2 編隊(duì)飛行控制研究

目前，展開(kāi)的編隊(duì)飛行控制研究?jī)?nèi)容包括編隊(duì)隊(duì)形約束設(shè)計(jì)、編隊(duì)距離控制方法、編隊(duì)構(gòu)建控制方法、編隊(duì)主動(dòng)機(jī)動(dòng)控制策略、發(fā)動(dòng)機(jī)軸向推力可控的編隊(duì)控制技術(shù)、影響編隊(duì)飛行因素分析等。

2.1 編隊(duì)隊(duì)形約束設(shè)計(jì)

為滿足某種探測(cè)設(shè)備探測(cè)目標(biāo)的需求，多殺傷器編隊(duì)需滿足殺傷器間距離要求、輔殺傷器與主殺傷器夾角要求和主殺傷器與目標(biāo)連線的法平面與編隊(duì)平面夾角要求，見(jiàn)圖3所示。編隊(duì)隊(duì)形具體約束需根據(jù)使用要求以及探測(cè)設(shè)備工作原理確定。

圖3 編隊(duì)飛行空間示意圖Fig.3 Sketch of formation flight space

2.2 編隊(duì)距離控制方法

基于發(fā)射坐標(biāo)系建立多殺傷器間的位置關(guān)系，根據(jù)實(shí)際位置與期望位置之間的偏差以及偏差控制規(guī)律，得到發(fā)動(dòng)機(jī)軸向推力不可控和可控下的過(guò)載控制量，完成多殺傷器的編隊(duì)距離控制。

2.3 編隊(duì)構(gòu)建控制方法

采用領(lǐng)航參考點(diǎn)和虛擬參考點(diǎn)2種編隊(duì)構(gòu)建控制方法進(jìn)行編隊(duì)構(gòu)建[10-12]控制方法研究。領(lǐng)航參考點(diǎn)方法是以主殺傷器為原點(diǎn)，輔殺傷器向預(yù)定編隊(duì)平面的位置飛行，此方法需要輔殺傷器以大機(jī)動(dòng)飛向預(yù)定編隊(duì)平面，導(dǎo)致輔殺傷器速度損失較大，易超出編隊(duì)飛行要求。虛擬參考點(diǎn)方法是編隊(duì)開(kāi)始階段要求主殺傷器和輔殺傷器一起機(jī)動(dòng)，飛行至預(yù)定編隊(duì)平面，編隊(duì)構(gòu)建結(jié)束后按預(yù)定編隊(duì)平面距離控制。

圖4～6分別是在某偏差與干擾下，2種編隊(duì)構(gòu)建控制方法下的殺傷器間速度曲線、殺傷器間距離曲線和彈目視線法平面與編隊(duì)平面夾角曲線。從曲線看出，采用虛擬參考點(diǎn)法構(gòu)建編隊(duì)平面，能減小殺傷器間的速度差異，有助于編隊(duì)控制平面滿足空中分布式探測(cè)要求。

圖4 2種編隊(duì)控制方法下的殺傷器間速度曲線Fig.4 Velocity curve of interceptors with two control methods of formation

圖5 2種編隊(duì)控制方法下的殺傷器間距離曲線Fig.5 Distance curve of interceptors with two control methods of formation

圖6 2種編隊(duì)控制方法下的彈目視線法平面與編隊(duì)平面夾角曲線Fig.6 Angle curve of planes with two control methods of formation

2.4 編隊(duì)主動(dòng)機(jī)動(dòng)策略

在發(fā)動(dòng)機(jī)軸向推力不可控前提下需考慮殺傷器的主動(dòng)機(jī)動(dòng)策略問(wèn)題。主動(dòng)機(jī)動(dòng)策略設(shè)計(jì)內(nèi)容包括主動(dòng)機(jī)動(dòng)的選擇、主動(dòng)機(jī)動(dòng)時(shí)機(jī)、主動(dòng)機(jī)動(dòng)指令設(shè)計(jì)。在主動(dòng)機(jī)動(dòng)過(guò)程中，要采取措施避免殺傷器的過(guò)載指令劇烈跳變帶來(lái)的不良影響。圖7和8分別是在某偏差與干擾下，主動(dòng)機(jī)動(dòng)和不主動(dòng)機(jī)動(dòng)下的導(dǎo)彈速度曲線和彈目視線法平面與編隊(duì)平面夾角曲線。從曲線看出，主動(dòng)機(jī)動(dòng)后，殺傷器間速度差異減小，彈目視線法平面與編隊(duì)平面的夾角也減小了，提高了編隊(duì)飛行成功率。

圖7 主動(dòng)機(jī)動(dòng)和不主動(dòng)機(jī)動(dòng)下的殺傷器速度曲線Fig.7 Velocity curve of interceptors with maneuver and without maneuver

圖8 主動(dòng)機(jī)動(dòng)和不主動(dòng)機(jī)動(dòng)下的彈目視線法平面與編隊(duì)平面夾角曲線Fig.8 Angle curve of planes with maneuver and without maneuver

2.5 發(fā)動(dòng)機(jī)推力可控下的編隊(duì)控制技術(shù)

以上研究基于發(fā)動(dòng)機(jī)推力不可控下的編隊(duì)控制技術(shù)研究。圖9～11是在某偏差與干擾下考慮軸向推力可控和不可控的仿真曲線。從曲線看出，考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)軸向推力可控下，殺傷器間的編隊(duì)距離控制更精確，彈目視線法平面與編隊(duì)平面的夾角逐步衰減至0附近。此編隊(duì)控制技術(shù)有賴于發(fā)動(dòng)機(jī)推力可控技術(shù)的應(yīng)用，從目前看實(shí)現(xiàn)有較大難度，有待于后續(xù)深化研究。

圖9 發(fā)動(dòng)機(jī)軸向可控和不可控下的殺傷器間速度曲線Fig.9 Velocity curve of interceptors with axis-thrust controlled and uncontrolled

圖10 發(fā)動(dòng)機(jī)軸向可控和不可控下的殺傷器間距離曲線Fig.10 Distance curve of interceptors with axis-thrust controlled and uncontrolled

圖11 發(fā)動(dòng)機(jī)軸向可控和不可控下的彈目視線法平面與編隊(duì)平面夾角曲線Fig.11 Angle curve of planes with axis-thrust controlled and uncontrolled

2.6 編隊(duì)飛行影響因素分析

根據(jù)前期的研究結(jié)果，影響多殺傷器編隊(duì)飛行的因素主要有：空中分離的工況(包括分離速度、分離高度、分離前攻角)、分離裝置產(chǎn)生的導(dǎo)彈間速度和角速度偏差、為避免導(dǎo)彈間氣動(dòng)干擾需要的系統(tǒng)無(wú)控時(shí)間、導(dǎo)彈總體參數(shù)偏差(尤其是靜不穩(wěn)定特性和發(fā)動(dòng)機(jī)推力散布)、伺服系統(tǒng)響應(yīng)性能散布等，還有探測(cè)系統(tǒng)對(duì)編隊(duì)距離約束和角度約束要求、目標(biāo)機(jī)動(dòng)對(duì)編隊(duì)的影響和制導(dǎo)精度對(duì)編隊(duì)的影響。

3 編隊(duì)控制技術(shù)思考

目前研究的大氣層內(nèi)多殺傷器編隊(duì)控制技術(shù)尚未考慮目標(biāo)機(jī)動(dòng)和制導(dǎo)精度的影響，后續(xù)進(jìn)一步開(kāi)展多殺傷器協(xié)同攔截單/多個(gè)目標(biāo)對(duì)策模型研究、基于多模型的自適應(yīng)狀態(tài)估計(jì)器研究、編隊(duì)目標(biāo)制導(dǎo)精度新評(píng)定方法研究[10]、四維精確制導(dǎo)方法研究、信息缺失或不確定下的信息融合技術(shù)和編隊(duì)技術(shù)研究等。

圍繞著編隊(duì)控制技術(shù)衍生出很多先進(jìn)發(fā)展技術(shù)，包括傳感器技術(shù)、相對(duì)導(dǎo)航與定位技術(shù)、多任務(wù)分配與協(xié)同控制技術(shù)[13-14]、生存能力和可靠性技術(shù)[15]等。不同體制和不同工作原理對(duì)編隊(duì)的具體要求會(huì)不同。本文研究的探測(cè)設(shè)備采用激光測(cè)距和紅外測(cè)角的工作方式實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的定位，但是受紅外成像器視場(chǎng)限制，對(duì)多殺傷器滾動(dòng)角提出了較高要求，目前看工程實(shí)現(xiàn)難度很大，需要研究強(qiáng)干擾下快響應(yīng)小姿態(tài)角控制技術(shù)和多殺傷器姿態(tài)角協(xié)調(diào)控制技術(shù)，為探測(cè)目標(biāo)創(chuàng)造良好測(cè)量條件；同時(shí)開(kāi)展研究新的目標(biāo)探測(cè)工作原理，放寬對(duì)殺傷器姿態(tài)和距離約束，或者探討多波段導(dǎo)引頭復(fù)合工作模式。另外，伴隨著主發(fā)動(dòng)機(jī)可變推力技術(shù)的進(jìn)一步成熟，多殺傷器編隊(duì)飛行將會(huì)更容易實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

展望未來(lái)，相信會(huì)有更多的飛行器利用編隊(duì)控制技術(shù)，通過(guò)各自的資源相互融合，更迅速更準(zhǔn)確感知外部環(huán)境信息，從而增強(qiáng)系統(tǒng)抵抗外界進(jìn)攻的能力，在復(fù)雜環(huán)境下高效完成作戰(zhàn)任務(wù)。

[ 1] 劉小雄，章衛(wèi)國(guó)，李廣文，等. 無(wú)人機(jī)自主編隊(duì)飛行控制的技術(shù)問(wèn)題[J]. 電光與控制，2006, 13(6):28-31. LIU Xiao-xiong, ZHANG Wei-guo, LI Guang-wen,et al. Discussion on Autonomous Formation Flight Control Technique of UAV[J]. Electronics Optics & Control, 2006, 13(6):28-31.

[ 2] 徐劼. 小衛(wèi)星編隊(duì)飛行關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)分析[J]. 航天電子對(duì)抗，2007，23(6):24-29. XU Jie. Key Techniques of Small-Satellite Formation Flight and Its Development[J]. Aerospace Electronic Warfare,23(6):24-29.

[ 3] 張保群,宋申民，陳興林. 考慮控制飽和的編隊(duì)飛行衛(wèi)星姿態(tài)協(xié)同控制[J].宇航學(xué)報(bào)，2011，32(5):1060-1069. ZHANG Bao-qun, SONG Shen-min,CHEN Xing-lin. Attitude Coordination Control of Formation Flying SateUites Under Control Saturation[J]. Journal of Astronautics, 2011, 32(5):1060-1069.

[ 4] 林濤,劉永才. 飛航導(dǎo)彈協(xié)同作戰(zhàn)使用方法探討[J]. 戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù)，2005(2)：8-12. LIN Tao, LIU Yong-cai. An Investigation into the Methods of Cooperative Engagement for Aerodynamic Missile[J].Tactical Missile Technology, 2005(2)：8-12.

[ 5] 肖增博，雷虎民，騰江川,等. 多導(dǎo)彈協(xié)同制導(dǎo)規(guī)律研究現(xiàn)狀及展望[J]. 航空兵器，2011(6):18-22. XIAO Zeng-bo, LEI Hu-min, TENG Jiang-chuan,et al. The Present Status of Prospect of Multi-Missile Cooperative Guidance Law[J]. Aero Weaponry,2011(6):18-22.

[ 6] 閻磊，吳森堂. 飛航導(dǎo)彈編隊(duì)制導(dǎo)作戰(zhàn)效能分析方法研究[J]. 現(xiàn)代防御技術(shù)，2008，36(5):15-20. YAN Lei, WU Seng-tang. Research on the Combat Effectiveness Analysis Method of Formation Guidance of Aerodynamic Missile[J]. Modern Defence Technology,2008, 36(5):15-20.

[ 7] 樊瓊劍，楊忠，方挺,等.多無(wú)人機(jī)協(xié)同編隊(duì)飛行控制的研究現(xiàn)狀[J].航空學(xué)報(bào)，2009,30(4):683-691. FAN Qiong-jian, YANG Zhong, FANG Ting,et al.Research Status of Coordinated Formation Flight Control for Multi-UAVs[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2009, 30(4):683-691.

[ 8] 任德華，盧桂章. 對(duì)隊(duì)形控制的思考[J]. 控制與決策，2005,20(6):601-606. REN De-hua, LU Gui-zhang. Thinking in Formation Control[J]. Control and Design,2005, 20(6):601-606.

[ 9] 郝博，李帆,趙建輝,等.導(dǎo)彈編隊(duì)隊(duì)形拆分重構(gòu)與領(lǐng)彈繼任控制器設(shè)計(jì)[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2013,33(1):3-9. HAO Bo, LI Fan, ZHAO Jian-hui,et al. The Design of Missile Formation Split Reconstruction and Leader Missile Succession Controller[J].Journal of Projectiles，Rocket，Missiles and Guidance, 2013, 33(1):3-9.

[10] 張樹(shù)征，周鳳岐，姜德勝.防空導(dǎo)彈攔截編隊(duì)目標(biāo)制導(dǎo)精度建模研究[ J ].航天控制, 2009, 27(5):11-19. ZHANG Shu-zheng, ZHOU Feng-qi, JIANG De-sheng. Guidance Precision Modeling of Air Defense Misslie Intercepting Formation Targets[J].Aerospace Control, 2009,27(5):11-19.

[11] 韋常柱，郭繼峰，趙彪. 導(dǎo)彈協(xié)同作戰(zhàn)編隊(duì)飛行控制系統(tǒng)研究[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2010，32(9):1968-1972. WEI Chang-zhu, GUO Ji-feng, ZHAO Biao. Research on Flight Control System for Missiles Cooperative Engagement Formation[J]. Systems Engineering and Electronics, 2010,32(9):1968-1972.

[12] 劉新科，李大鵬，譚樂(lè)祖. 基于制導(dǎo)與控制一體化的導(dǎo)彈編隊(duì)隊(duì)形控制[J].火力與指揮控制，2011，36(8):208-210. LIU Xin-ke, LI Da-peng, TAN Le-zu. Research on Missile Formation Control Based on Integrated Guidance and Control[J]. Fire Control and Command Control,2011, 36(8):208-210.

[13] 朱毅，張濤，程農(nóng),等. 多UAV協(xié)同任務(wù)規(guī)劃研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009，20(S1):194-199. ZHU Yi, ZHENG Tao, CHENG Long,et al.Research on Cooperative Mission Planning of Multiple UAVs[J]. Journal of System Simulation,2009,20(S1):194-199.

[14] 蘇菲，陳巖，沈林成. 基于蟻群算法的無(wú)人機(jī)協(xié)同多任務(wù)分配[J].航空學(xué)報(bào)，2008,29(S1):184-191. SU Fei, CHEN Yan, SHEN Lin-cheng. UAV Cooperative Multi-Task Assignment Based on Ant Colony Algorithm[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica,2008, 29(S1):184-191.

[15] 王文亮，張效義. 反艦導(dǎo)彈協(xié)同作戰(zhàn)智能化發(fā)展趨勢(shì)[J].艦船電子工程，2010，30(10):1-5. WANG Wen-liang, ZHANG Xiao-yi. Development of Anti-Ship Missile′s Coordinated Campaign Intellectualized Technology[J].Ship Electronic Engineering, 2010, 30(10):1-5.

Formation Flight Control Techniques of Multi-Interceptorsin the Atmosphere

ZHENG Yong-bin， WANG Ying-huan， LI Yun-qian， WEI Ming-ying

(Beijing Institute of Electronic System Engineering, Beijing 100854,China)

The content of formation-controlled design of multi-interceptors is discussed. Based on the target detection requirement of detecting certain kind of system, the formation limitation design, the control method of formation distance and formation built-up method, the strategy of formation active maneuver, the formation control techniques with the controllable thrust of engines and influence factors to formation are given and simulated. The deficiency of research about formation-controlled techniques and further study are also provided.

multi-interceptors； formation control；formation limitation; formation distance; formation built-up；active maneuver

2016-07-15；

2016-10-27 基金項(xiàng)目：有 作者簡(jiǎn)介：鄭勇斌(1978-)，男，江蘇丹陽(yáng)人。高工，碩士，從事導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)技術(shù)研究。

10.3969/j.issn.1009-086x.2017.01.001

E917； TJ765

A

1009-086X(2017)-01-0001-05

編者按：“2016年先進(jìn)導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制技術(shù)研討會(huì)”成功舉行。會(huì)議得到了國(guó)內(nèi)從事空天防御的軍方、軍工單位、科研院所、高校等的積極響應(yīng)和大力支持，共征集到論文40余篇，經(jīng)過(guò)專家評(píng)審選出優(yōu)秀論文10余篇進(jìn)行了會(huì)議交流?！冬F(xiàn)代防御技術(shù)》特開(kāi)辟專欄陸續(xù)刊登此次會(huì)議的優(yōu)秀論文，供讀者參考。

通信地址：100854 北京142信箱30分箱 E-mail：yongbinzheng@hotmail.com