——從彈協(xié)同攻擊末段目標(biāo)定位策略研究"/>
任鵬飛,趙久奮
(1.西北工業(yè)大學(xué),西安710172;2.火箭軍工程大學(xué),西安710025)
巡航導(dǎo)彈領(lǐng)彈
——從彈協(xié)同攻擊末段目標(biāo)定位策略研究
任鵬飛1,趙久奮2
(1.西北工業(yè)大學(xué),西安710172;2.火箭軍工程大學(xué),西安710025)
為了提高巡航導(dǎo)彈打擊效果,協(xié)同攻擊成了未來作戰(zhàn)的必然趨勢。基于此背景,在巡航導(dǎo)彈領(lǐng)彈——從彈協(xié)同攻擊策略的基礎(chǔ)上,提出了一種末段目標(biāo)定位策略,對固定目標(biāo)的定位進(jìn)行了研究,討論了基于擴(kuò)展Kalman濾波(EKF)的無源定位方法。
導(dǎo)彈編隊(duì);Kalman濾波;目標(biāo)定位
本文根據(jù)導(dǎo)彈編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn),通過結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)的理論和工程研究背景,重點(diǎn)研究導(dǎo)彈編隊(duì)之間的相對導(dǎo)航問題。為了提高導(dǎo)航精度,在飛行速度和導(dǎo)航位置方面,尋求一種更加有效的估計(jì)方法。在末段定位時,運(yùn)用拓展Kalman濾波這一無源定位方法,解決如何利用領(lǐng)彈的高精度導(dǎo)航信息以及從彈與領(lǐng)彈的相對關(guān)系實(shí)時的對固定目標(biāo)位置進(jìn)行高精度估計(jì)。
本文研究固定目標(biāo)情況的方案為:在導(dǎo)彈編隊(duì)飛行中,跟隨彈的主要作用不是提供導(dǎo)航信息,編隊(duì)的飛行位置和飛行速度主要是由領(lǐng)航彈提供的,通過領(lǐng)航彈提供的導(dǎo)航信息,實(shí)時測量出領(lǐng)航彈的導(dǎo)航信息,通過編隊(duì)飛行過程中跟隨彈與領(lǐng)航彈的相對位置關(guān)系,計(jì)算出跟隨彈的位置和速度,跟隨彈、領(lǐng)航彈同時開始末制導(dǎo)。由于領(lǐng)航彈本身裝載有精度較高的Doppler雷達(dá),因此,在測量中精度較高,可以提供高精度的導(dǎo)航信息。
實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)無源定位的方法是EKF定位算法。
領(lǐng)航彈作為導(dǎo)彈編隊(duì)飛行中的核心部分,并不能夠提供所有的導(dǎo)航信息,一般來說,領(lǐng)航彈可以為編隊(duì)飛行提供一些角度信息。因此,通過建立導(dǎo)航坐標(biāo)系,可以得到兩個角度,同時將領(lǐng)航彈與目標(biāo)之間的距離也作為輸入狀態(tài)變量,即:
1.1 狀態(tài)方程的建立
本文涉及的主要坐標(biāo)系有:
1)導(dǎo)航坐標(biāo)系On-XnYnZn。坐標(biāo)原點(diǎn)On為導(dǎo)彈發(fā)射點(diǎn),OnYn沿發(fā)射點(diǎn)地心矢徑方向,OnZn垂直于射面,OnXn與OnYn和OnZn構(gòu)成右手坐標(biāo)系。
2)彈體坐標(biāo)系Od-XdYdZd。坐標(biāo)原點(diǎn)Od為導(dǎo)彈質(zhì)心,OdXd沿彈體縱對稱軸,指向彈頭為正,OdYd在彈體縱對稱面內(nèi),垂直于OdXd,OnZn與OnXn和OnYn構(gòu)成右手坐標(biāo)系。
由r=rm-r1,可知:
其中,rm為地球上固定目標(biāo)位置矢量,r1為領(lǐng)航彈位置矢量,r為目標(biāo)相對于領(lǐng)航彈的位置矢量。
定義e為單位視線向量,則r=re,對其求導(dǎo):
由Coriolis定理可得:
其中,ωe為彈體自轉(zhuǎn)角速度,符號|n表示在慣性系的投影。
其中,
將式(5)代入(4)可得:
則狀態(tài)方程為:
其中,
1.2 觀測方程的建立
領(lǐng)航彈可以實(shí)時的測得目標(biāo)視線在領(lǐng)航彈彈體坐標(biāo)系中的投影,取俯仰角α、航向角β為觀測量,則有:
定義en和ed分別為視線向量在導(dǎo)航坐標(biāo)系與彈體坐標(biāo)系下的量,即:
可得:
由式(7)可得:
即得觀測方程:
新的線性化的測量方程為:
1.3 濾波流程
本文采用比較成熟的EKF方法進(jìn)行濾波,具體流程如下:
(1)計(jì)算最優(yōu)預(yù)測值
直接采用非線性方程式,通過數(shù)值積分得到^X(k+1|k)。
(2)計(jì)算預(yù)測誤差方差陣
(3)計(jì)算最優(yōu)增益矩陣
(4)計(jì)算濾波估值方差陣
Kalman濾波狀態(tài)更新方程變?yōu)椋?/p>
根據(jù)導(dǎo)彈編隊(duì)飛行中的末制導(dǎo)要求,當(dāng)領(lǐng)航彈與目標(biāo)之間的距離約為100km時,編隊(duì)中的領(lǐng)航彈開啟雷達(dá)導(dǎo)引頭,通過不斷掃描搜索目標(biāo)。仿真條件為:
陀螺隨機(jī)漂移:0.1(°)/h;
加速度計(jì)隨機(jī)漂移:10μg;
測量頻率:100Hz。
雷達(dá)導(dǎo)引頭在測量角度時的精度為0.02°時,仿真結(jié)果如圖1所示。
圖1 EKF定位誤差Fig.1 Error of EKF positioning
一般并不需要一直提供高精度的導(dǎo)航定位信息,這樣代價較高,而是根據(jù)不同的目的需求來考慮定位精度。對電子偵察等本身具有高精度定位信息的設(shè)備,只需要低精度的定位能力就行,一般認(rèn)為定位精度達(dá)到5km左右就可以滿足;而直接用于引導(dǎo)炸彈或炮彈時,定位精度要很高,在0.1km左右。由仿真曲線可知:編隊(duì)飛行在850s時,飛行位置中的X方向誤差為3.6m,Y方向?yàn)?0.17m,Z方向?yàn)?.8m,仿真結(jié)果較好。
在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中,為了實(shí)現(xiàn)有效打擊,普遍開始使用隱身攻擊的技術(shù),通過降低攻擊導(dǎo)彈的輻射強(qiáng)度,主要降低領(lǐng)航彈的紅外輻射,跟隨彈采用被動定位模式。這種方式不能測出距離信息,只能測角,本文提出了EKF定位算法,并對其進(jìn)行了建模。
對于無源定位來說,只能測角不能測距,因此在導(dǎo)航定位中,一般不會對編隊(duì)飛行中導(dǎo)彈與目標(biāo)初始的精度要求太高。本文提出的方法的主要優(yōu)點(diǎn)是:領(lǐng)航彈可以自由地選擇搜尋的目標(biāo),不會受到預(yù)先是否選定的影響;主要缺點(diǎn)是:此方法受測角精度的影響很大,導(dǎo)致濾波器不是很穩(wěn)定,而且收斂速度慢。
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Research on Cruise Missile Attack Target Leader?follower Flight Terminal Positioning Strategy
REN Peng?fei1,ZHAO Jiu?fen2
(1.Northwestern Polytechnical University,Xi'an 710172; 2.The Rocket Force University of Engineering,Xi'an 710025)
In order to improve the effect of cruise missile strike,cooperative attack is the inevitable trend of the fu?ture.The cruise missile leader?based collaborative attack strategies from play,this paper puts forward a terminal target po?sitioning strategy on the basis of the cruise missile's missile strike——from the cooperative attack strategy under the back?ground.The paper proposes a terminal positioning strategy and researches the fixed target location.Finally,it discusses passive location method based on extended Kalman filter(EKF).
missile formation;Kalman filtering;target location
V448.22
A
1674?5558(2017)01?01300
10.3969/j.issn.1674?5558.2017.01.005
任鵬飛,男,本科,飛行器設(shè)計(jì)與工程專業(yè),研究方向?yàn)轱w行器設(shè)計(jì)。
2016?08?08