一種大氣層內多殺傷器編隊飛行控制技術探討

鄭勇斌，王英煥，李運遷，魏明英

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

一種大氣層內多殺傷器編隊飛行控制技術探討

鄭勇斌，王英煥，李運遷，魏明英

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

對多殺傷器編隊控制設計內容進行了探討，結合某種體制探測目標需求，研究了編隊隊形約束設計、編隊距離控制方法、編隊構建控制方法、編隊主動機動策略、發動機推力可控下的編隊控制技術和編隊影響因素分析，并進行了仿真對比；最后指出編隊控制技術研究不足以及需要進一步研究的地方。

多殺傷器； 編隊控制 ； 隊形約束；編隊距離；編隊構建 ；主動機動

0 引言

編隊控制技術在機器人中研究起步較早，后被引入無人機的編隊控制[1]、衛星的編隊控制[2-3]，而在大氣層內殺傷器中研究剛剛起步，但是多殺傷器編隊飛行的作戰模式，已得到越來越多國家的青睞。一個典型代表就是俄羅斯裝備部隊的“花崗巖”反艦導彈[4]，第1枚“花崗巖”導彈在空中自行鎖定打擊目標，同時減速飛行，等待第2枚直至最后1枚導彈發射脫離系統之后，采用編隊戰術向目標發起攻擊。領彈裝備先進的探測與抗干擾系統，根據戰場情況實時修正數據，并將攻擊指令分配給低空飛行的攻擊彈，一旦目標群中的主要目標被摧毀，其他的導彈就可以攻擊剩余的目標，實現最佳戰術目的。

多殺傷器通過編隊飛行實現信息共享，采取協同策略可彌補單一傳感器精度局限或者單一殺傷器能力局限，提高整體作戰能力[5-6]。在這種作戰模式下，殺傷器的突防能力、電子對抗能力、對機動目標的搜捕能力和攔截能力能得到大幅提升。

1 編隊控制設計內容

編隊控制設計內容主要包括編隊體系結構選擇、編隊隊形設計和編隊隊形控制[7]。在具體應用過程中，可根據實際情況靈活采用某種思想或多種思想的綜合。

1.1 編隊體系結構

從系統設計的角度來看，導彈的編隊需要面向動態變化環境，要有利于系統實現對環境的自組織適應能力，最大程度地發揮個體能力和最高效率地完成任務。體系結構主要有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構。

1.2 編隊隊形設計

為了保證隊形的完整[8]，必須要有一個隊形的調節機制，即在編隊過程中，必須要有一個參考點，使各導彈能夠根據參考點確定自己在隊列中的位置，從而形成一定的隊形。參考點的選取方法通常有3種，見圖2所示。具體研究中采取的是中心參考點法和領航參考點相結合的隊形設計。

1.3 編隊隊形控制

編隊隊形控制是指多導彈在飛行過程中，建立并保持預先決定的隊形，同時又要適應環境約束的控制技術。隊形控制中一般需考慮空間位置的協調和時間上的協調。其中要解決的主要問題包括隊形的建立問題、移動中隊形保持問題和隊形切換問題[9]。

二是建構反本質主義的文學史觀與文學史多元化書寫的可能。文化研究的反本質主義思維打破了固有文學史的本質主義觀念。臺灣“重寫文學史”的倡導者們提出了“多元”的文學史觀念。事實上，文學史的書寫是歷時與共時的交匯，是多種因素相互博弈的結果。歷時研究顯示了文學發展演變的縱向歷史軌跡；而共時研究則關注文學史內部共時結構的特征以及各種因素之間的相互關系。[16]文化研究介入“重寫文學史”思潮之中，打破了原先文學史單一的線性書寫模式。把歷史發生與共時結構考察相結合，更使文學史書寫呈現了豐富性與開放性。

圖1 集中式、分布式、分層式體系結構Fig.1 Centralized, distributed and delaminated structure

圖2 編隊隊形設計參考點選取示意圖Fig.2 Selection sketch of reference points in formation design

2 編隊飛行控制研究

目前，展開的編隊飛行控制研究內容包括編隊隊形約束設計、編隊距離控制方法、編隊構建控制方法、編隊主動機動控制策略、發動機軸向推力可控的編隊控制技術、影響編隊飛行因素分析等。

2.1 編隊隊形約束設計

為滿足某種探測設備探測目標的需求，多殺傷器編隊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連線的法平面與編隊平面夾角要求，見圖3所示。編隊隊形具體約束需根據使用要求以及探測設備工作原理確定。

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

2.2 編隊距離控制方法

基于發射坐標系建立多殺傷器間的位置關系，根據實際位置與期望位置之間的偏差以及偏差控制規律，得到發動機軸向推力不可控和可控下的過載控制量，完成多殺傷器的編隊距離控制。

2.3 編隊構建控制方法

采用領航參考點和虛擬參考點2種編隊構建控制方法進行編隊構建[10-12]控制方法研究。領航參考點方法是以主殺傷器為原點，輔殺傷器向預定編隊平面的位置飛行，此方法需要輔殺傷器以大機動飛向預定編隊平面，導致輔殺傷器速度損失較大，易超出編隊飛行要求。虛擬參考點方法是編隊開始階段要求主殺傷器和輔殺傷器一起機動，飛行至預定編隊平面，編隊構建結束后按預定編隊平面距離控制。

圖4～6分別是在某偏差與干擾下，2種編隊構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平面夾角曲線。從曲線看出，采用虛擬參考點法構建編隊平面，能減小殺傷器間的速度差異，有助于編隊控制平面滿足空中分布式探測要求。

圖4 2種編隊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種編隊控制方法下的彈目視線法平面與編隊平面夾角曲線Fig.6 Angle curve of planes with two control methods of formation

2.4 編隊主動機動策略

在發動機軸向推力不可控前提下需考慮殺傷器的主動機動策略問題。主動機動策略設計內容包括主動機動的選擇、主動機動時機、主動機動指令設計。在主動機動過程中，要采取措施避免殺傷器的過載指令劇烈跳變帶來的不良影響。圖7和8分別是在某偏差與干擾下，主動機動和不主動機動下的導彈速度曲線和彈目視線法平面與編隊平面夾角曲線。從曲線看出，主動機動后，殺傷器間速度差異減小，彈目視線法平面與編隊平面的夾角也減小了，提高了編隊飛行成功率。

圖7 主動機動和不主動機動下的殺傷器速度曲線Fig.7 Velocity curve of interceptors with maneuver and without maneuver

圖8 主動機動和不主動機動下的彈目視線法平面與編隊平面夾角曲線Fig.8 Angle curve of planes with maneuver and without maneuver

2.5 發動機推力可控下的編隊控制技術

以上研究基于發動機推力不可控下的編隊控制技術研究。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，考慮到發動機軸向推力可控下，殺傷器間的編隊距離控制更精確，彈目視線法平面與編隊平面的夾角逐步衰減至0附近。此編隊控制技術有賴于發動機推力可控技術的應用，從目前看實現有較大難度，有待于后續深化研究。

圖9 發動機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 發動機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 發動機軸向可控和不可控下的彈目視線法平面與編隊平面夾角曲線Fig.11 Angle curve of planes with axis-thrust controlled and uncontrolled

2.6 編隊飛行影響因素分析

根據前期的研究結果，影響多殺傷器編隊飛行的因素主要有：空中分離的工況(包括分離速度、分離高度、分離前攻角)、分離裝置產生的導彈間速度和角速度偏差、為避免導彈間氣動干擾需要的系統無控時間、導彈總體參數偏差(尤其是靜不穩定特性和發動機推力散布)、伺服系統響應性能散布等，還有探測系統對編隊距離約束和角度約束要求、目標機動對編隊的影響和制導精度對編隊的影響。

3 編隊控制技術思考

目前研究的大氣層內多殺傷器編隊控制技術尚未考慮目標機動和制導精度的影響，后續進一步開展多殺傷器協同攔截單/多個目標對策模型研究、基于多模型的自適應狀態估計器研究、編隊目標制導精度新評定方法研究[10]、四維精確制導方法研究、信息缺失或不確定下的信息融合技術和編隊技術研究等。

圍繞著編隊控制技術衍生出很多先進發展技術，包括傳感器技術、相對導航與定位技術、多任務分配與協同控制技術[13-14]、生存能力和可靠性技術[15]等。不同體制和不同工作原理對編隊的具體要求會不同。本文研究的探測設備采用激光測距和紅外測角的工作方式實現對目標的定位，但是受紅外成像器視場限制，對多殺傷器滾動角提出了較高要求，目前看工程實現難度很大，需要研究強干擾下快響應小姿態角控制技術和多殺傷器姿態角協調控制技術，為探測目標創造良好測量條件；同時開展研究新的目標探測工作原理，放寬對殺傷器姿態和距離約束，或者探討多波段導引頭復合工作模式。另外，伴隨著主發動機可變推力技術的進一步成熟，多殺傷器編隊飛行將會更容易實現。

4 結束語

展望未來，相信會有更多的飛行器利用編隊控制技術，通過各自的資源相互融合，更迅速更準確感知外部環境信息，從而增強系統抵抗外界進攻的能力，在復雜環境下高效完成作戰任務。

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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 基金項目：有 作者簡介：鄭勇斌(1978-)，男，江蘇丹陽人。高工，碩士，從事導彈制導控制系統技術研究。

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

E917； TJ765

A

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

編者按：“2016年先進導航、制導與控制技術研討會”成功舉行。會議得到了國內從事空天防御的軍方、軍工單位、科研院所、高校等的積極響應和大力支持，共征集到論文40余篇，經過專家評審選出優秀論文10余篇進行了會議交流?！冬F代防御技術》特開辟專欄陸續刊登此次會議的優秀論文，供讀者參考。

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