王博翰 吳斌雙 朱爾隆 朱燁森

(大連理工大學(xué),遼寧大連 116024)

關(guān)于導(dǎo)彈制導(dǎo)規(guī)律的發(fā)展過(guò)程及重要意義

王博翰 吳斌雙 朱爾隆 朱燁森

(大連理工大學(xué),遼寧大連 116024)

導(dǎo)彈制導(dǎo)規(guī)律即導(dǎo)引規(guī)律是指根據(jù)導(dǎo)彈和目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)信息,制導(dǎo)導(dǎo)彈按照一定的飛行軌跡去攔擊目標(biāo)的規(guī)律,導(dǎo)引規(guī)律所要解決的問(wèn)題是導(dǎo)彈攔擊目標(biāo)的飛行彈道問(wèn)題,它是導(dǎo)彈火控關(guān)鍵技術(shù)之一。本文主要就導(dǎo)彈導(dǎo)引律的研究歷史和現(xiàn)狀展開(kāi),介紹了導(dǎo)引律的發(fā)展過(guò)程及意義。

導(dǎo)彈制導(dǎo)規(guī)律 導(dǎo)引律 制導(dǎo)

1 研究背景及意義

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

2 導(dǎo)引律的研究現(xiàn)狀

歷年來(lái)提高導(dǎo)彈制導(dǎo)精度一直都是人們堅(jiān)持不懈為之奮斗的目標(biāo)，在將來(lái)空戰(zhàn)中要攔截大空域、高速機(jī)動(dòng)飛行的目標(biāo)時(shí)，導(dǎo)引律很大程度上可以決定戰(zhàn)斗走勢(shì)，將發(fā)揮十分關(guān)鍵的作用。導(dǎo)彈能否避免脫靶取決于導(dǎo)彈制導(dǎo)規(guī)律即導(dǎo)引律的設(shè)計(jì)，而導(dǎo)引律的設(shè)計(jì)需要綜合考慮與衡量導(dǎo)彈的過(guò)載能力、作戰(zhàn)半徑、脫靶率、技術(shù)改進(jìn)、制導(dǎo)設(shè)施、戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用等多方面。盡管目前已經(jīng)提出了許多如最優(yōu)制導(dǎo)律、自適應(yīng)制導(dǎo)律、微分對(duì)策及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)制導(dǎo)律等現(xiàn)代制導(dǎo)規(guī)律，在戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)中真正使用的基本全是古典制導(dǎo)律，在實(shí)際作戰(zhàn)應(yīng)用中理論相對(duì)成熟的比例導(dǎo)引及其變體得到大規(guī)模應(yīng)用。下文主要介紹比例導(dǎo)引及其改進(jìn)形式的研究現(xiàn)狀。

2.1 比例導(dǎo)引

比例導(dǎo)引律是最早出現(xiàn)的導(dǎo)引律，由于該項(xiàng)目的優(yōu)勢(shì)在于易于實(shí)現(xiàn)的，幾十年來(lái)一直被廣泛用作艦載機(jī)的跟蹤，導(dǎo)彈攔截器和飛船對(duì)接。相對(duì)其他各種復(fù)雜的導(dǎo)引律而言，比例導(dǎo)引對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的準(zhǔn)確信息要求較低，這樣就能減少機(jī)載傳感器和制導(dǎo)系統(tǒng)的產(chǎn)生的誤差積累，來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性。鑒于比例導(dǎo)引的重要性，在軌道攔截性能指導(dǎo)人們作了大量的分析和研究。

比例導(dǎo)引(PN)是在戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈(包括防空導(dǎo)彈)應(yīng)用中非常廣泛的尋的導(dǎo)引律。根據(jù)控制命令加速度不同的參考方向，比例導(dǎo)引法，大概分為三種：一種是以跟蹤速度矢量為參考標(biāo)準(zhǔn)：純比例導(dǎo)引(PPN)；第二種是跟蹤和瞄準(zhǔn)視線的基準(zhǔn)點(diǎn)之間的線路：例如真比例導(dǎo)引律(TPN)和廣義比例導(dǎo)引律(GPN)；第三種是以導(dǎo)彈和目標(biāo)的相對(duì)速度的參考基準(zhǔn)：例如理想比例導(dǎo)引(IPN)等。比例導(dǎo)引律經(jīng)過(guò)多年來(lái)許多專家學(xué)者的努力改進(jìn)，它在形式的變化和意義都發(fā)生了許多創(chuàng)新。

2.2 改進(jìn)的比例導(dǎo)引

由于戰(zhàn)爭(zhēng)目標(biāo)機(jī)動(dòng)能力強(qiáng)，人們?yōu)楦倪M(jìn)比例導(dǎo)引律的導(dǎo)引性能，來(lái)滿足嚴(yán)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(dǎo)引律改進(jìn)方面做出了很多努力。有偏比例導(dǎo)引是用來(lái)改進(jìn)純比例導(dǎo)引的另一種形式。由于引入了一個(gè)額外的參數(shù)(即速率偏差)，這種有偏的比例導(dǎo)引可能用更小的控制量來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)先給定的攔截。這是用控制火箭來(lái)產(chǎn)生橫向控制力的大氣層外運(yùn)行的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)，總的控制量(即橫向合力)確定控制發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料要求。

考慮推導(dǎo)出的運(yùn)動(dòng)基于線性的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方程的解析解的方程的空間終端攔截的情況下，從本導(dǎo)引律所計(jì)算出的解析解與非線性方程的數(shù)值解來(lái)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(dǎo)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)對(duì)于這個(gè)特殊的使命，以攔截戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈，分析面臨的制導(dǎo)律設(shè)計(jì)上的缺點(diǎn)和比例導(dǎo)引法的一個(gè)新問(wèn)題，為了解決這一問(wèn)題，增加了目標(biāo)導(dǎo)彈的機(jī)動(dòng)加速度和軸向加速度等參數(shù)，比例導(dǎo)引律進(jìn)行了改進(jìn)，并且優(yōu)化了各種參數(shù)。通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)這種導(dǎo)引律下導(dǎo)彈不但具有合理的過(guò)載分布方式，而且導(dǎo)引律結(jié)構(gòu)表達(dá)式簡(jiǎn)單，有很強(qiáng)的實(shí)用性。文獻(xiàn)給出了一種控制能源消耗最小的最佳性能制導(dǎo)律，并為了滿足一定的跟蹤垂直入射碰撞點(diǎn)要求，并且給出修訂后的垂直平面的攻擊點(diǎn)。

2.3 三維比例導(dǎo)引研究現(xiàn)狀

例如，李雯雯 針對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)，在三維空間下建立了導(dǎo)彈-目標(biāo)追逃運(yùn)動(dòng)模型，設(shè)計(jì)了增廣比例導(dǎo)引律。Gurfil等提出了一種類似比例導(dǎo)引的新古典主義制導(dǎo)律，只需要知道視線轉(zhuǎn)率信息，就能夠以優(yōu)于比例導(dǎo)引的特性，零脫靶量攔截高機(jī)動(dòng)目標(biāo)。Tyan分析了三維普通理想比例導(dǎo)引律(GIPN)的捕獲區(qū)域，使用固定在自然坐標(biāo)系下的視線角和三個(gè)改進(jìn)的極坐標(biāo)變量，使得導(dǎo)彈和目標(biāo)之間的相對(duì)動(dòng)力學(xué)方程不含有三角函數(shù)，從而易于分析當(dāng)目標(biāo)和導(dǎo)彈有界機(jī)動(dòng)時(shí)的捕獲區(qū)域。Prasanna和Ghose提出了一種新的比例導(dǎo)引律，可以攔截比攔截器的速度大的目標(biāo)，典型的場(chǎng)景就是攔截彈道目標(biāo)；與傳統(tǒng)比例導(dǎo)引律相比，新型比例導(dǎo)引律以大的攔截時(shí)間為代價(jià)，能夠以較小的終端縱向加速度攔截高速目標(biāo)。Tyan采用了改進(jìn)的極坐標(biāo)系來(lái)描述導(dǎo)彈和目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，將已有的二維空間的幾種比例導(dǎo)引律IPN、TPN和PPN擴(kuò)展到了三維空間。以上導(dǎo)引律雖然有些在導(dǎo)彈和目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型上進(jìn)行了改進(jìn)，有些對(duì)目標(biāo)機(jī)動(dòng)進(jìn)行了考慮，從而獲得了一定的制導(dǎo)精度。

3 導(dǎo)引律的發(fā)展方向

面對(duì)彈目追擊問(wèn)題的日益復(fù)雜化，制導(dǎo)方程也逐步呈現(xiàn)出強(qiáng)干擾、強(qiáng)不確定性和強(qiáng)非線性的“三強(qiáng)”特點(diǎn)。這對(duì)末端導(dǎo)引律的設(shè)計(jì)也提出了很大挑戰(zhàn)，在簡(jiǎn)要分析了目前導(dǎo)引律研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，可以窺見(jiàn)未來(lái)的末制導(dǎo)研究正在或?qū)?huì)呈現(xiàn)出以下趨勢(shì)：首先，研究維度逐漸從二維平面擴(kuò)展至三維空間，這樣更加趨近于彈目追蹤的真實(shí)情況；日益將俯仰和偏航通道的耦合問(wèn)題作為研究的重點(diǎn)，而且不再局限于目標(biāo)做非機(jī)動(dòng)或有限機(jī)動(dòng)飛行的假設(shè)。未來(lái)交戰(zhàn)的復(fù)雜性勢(shì)必要求目標(biāo)具有大機(jī)動(dòng)、強(qiáng)規(guī)避的能力，且由于測(cè)量的誤差和空氣動(dòng)力的變化，制導(dǎo)問(wèn)題將會(huì)受到劇烈的干擾和不確定性的影響，如何應(yīng)對(duì)這一趨勢(shì)也是制導(dǎo)律研究的重要方向。再次，不再單一采用基于碰撞點(diǎn)附近線性化的方式進(jìn)行研究，逐步將非線性的本質(zhì)問(wèn)題引入設(shè)計(jì)之中，且更加注重經(jīng)典導(dǎo)引律、現(xiàn)代導(dǎo)引律和非線性導(dǎo)引律的結(jié)合使用。最后，將逐漸突破導(dǎo)引問(wèn)題和控制問(wèn)題的隔離式研究，未來(lái)的導(dǎo)引律會(huì)考慮將控制部分的動(dòng)特性和末端姿態(tài)要求等各項(xiàng)指標(biāo)添加至設(shè)計(jì)當(dāng)中，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈制導(dǎo)、控制的一體化設(shè)計(jì)。

[1]顧從標(biāo),湯慶釗,胡剛.精確制導(dǎo)武器對(duì)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的影響[J].飛航導(dǎo)彈,2006.

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