技术领域
[0001] 本发明涉及巡飞弹集群制导控制技术领域，尤其是涉及一种控制输入受限的巡飞弹集群分布式时间协同制导方法。
相关背景技术
[0002] 巡飞弹是具备无人机特征的弹药，兼具滞空巡航和制导打击能力。多枚巡飞弹通过协同作战发挥群体优势，可有效提升作战效能。根据终端约束条件为时间或角度，协同制导可分为时间协同、空间协同和时空协同。空间协同大多为预先装订攻击角度约束的开环协同，有个体间信息交互的闭环空间协同多与时间协同结合实现时空协同。因此，多弹协同制导场景中，时间是最基本的约束量。针对单个目标，巡飞弹集群同时打击可使目标的防御系统在短时间内饱和，提高突防概率；面向多个目标，巡飞弹集群同时打击可避免部分目标机动逃跑，实现“一网打尽”。
[0003] 时间协同制导方法是实现同时打击的关键技术，常见的时间协同制导方法根据弹间有无通信可分为开环协同制导和闭环协同制导两类。
[0004] 开环协同制导需要提前装订攻击时间，常在以下两种控制方法基础上引入时间约束：(1)偏置比例导引律，在比例导引律的基础上增加时间误差反馈项。(2)滑模控制，设计滑模面的时间误差为0使运动状态收敛。
[0005] 闭环协同制导是在制导过程中各弹通过通信实现协同一致。根据通信拓扑中有无集中协调单元，闭环协同制导可分为集中式协同和分布式协同。相较于集中式协同，分布式协同所需信息量更小，集群鲁棒性更强，利于集群扩展。真实战场环境中难以在战前获得敌方目标信息，分布式协调策略实时协调得到打击时间，避免了对打击时间的预设。
[0006] 传统的时间协同制导方法大多并未考虑自驾仪的输入限制，仅在制导回路设计，以加速度作为自驾仪的控制输入。由于剩余飞行时间估计存在误差，传统的基于剩余飞行时间的时间协同制导方法时间可调范围小。
具体实施方式
[0056] 以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0057] 分布式协同制导算法通常在开环协同制导算法上层构建协调层，应用现代控制理论设计协同控制策略。根据协调变量的不同，可分为以下协同方法：(1)协调剩余飞行时间。在估计剩余飞行时间的基础上，设计控制方法协调各弹的剩余飞行时间估计值一致。(2)协调弹目距离。将剩余飞行时间估计问题转化为弹目距离一致问题，避免了剩余飞行时间估计的误差，大多假设各弹的速度为定值。(3)协调速度。在路径规划的基础上，协调各弹的速度实现协同。
[0058] 现有方法多以加速度作为控制指令输入自驾仪，并未考虑自驾仪的输入限制。巡飞弹兼具滞空巡航和制导打击能力，为维持其稳定飞行常采用姿态驾驶仪，其自驾仪输入限制为姿态角及油门，需要结合飞行特性设计满足输入限制的时间协同制导算法。
[0059] 请参阅图1，一种控制输入受限的巡飞弹集群分布式时间协同制导方法，包括以下步骤：
[0060] S1、建立巡飞弹集群的双层协同制导架构，如附图2所示。本实施例所述协同制导架构的“双层”有两个含义。在算法设计上，“双层”指协同制导算法分解为上层协调策略和下层时间约束制导律；在控制实现上，“双层”指协同制导算法层和巡飞弹自驾仪控制层，即分别对应制导回路和控制回路。
[0061] S2、巡飞弹个体根据自身位姿信息，估算打击目标前的剩余飞行时间，通过巡飞弹间通信交互各自的剩余飞行时间估计值，由协调策略计算得到各弹期望的协调变量值，作为横侧向三阶段协同制导律和纵向两阶段协同制导律的输入。
[0062] S3、横侧向使用偏置比例导引律，通过前置角限制机制减小剩余飞行时间估计误差；纵向制导分解为平飞和俯冲段，分别使用总能量控制理论和积分比例导引律，并通过平飞转俯冲切换准则，实现对时间误差的微调；通过姿态映射方法得到姿态角和油门指令作为自驾仪的控制输入。
[0063] S4、巡飞弹自驾仪内环根据输入的姿态角和油门指令，得到舵量和油门量，控制巡飞弹姿态和速度实现时间协同。
[0064] 本实施例主要从控制实现角度对双层协同制导架构进行概述。针对巡飞弹姿态驾驶仪输入限制，将三维空间内的巡飞弹时间协同制导问题解耦到横侧向和纵向平面，以剩余飞行时间估计值作为协调变量，实现分布式时间协同制导算法。下面分别对两平面内的算法进行详细描述。
[0065] 横侧向上，巡飞弹根据弹目视线角估计个体的剩余飞行时间，通过通信网络获取相邻个体剩余飞行时间估计值，由分布式协调策略得到期望剩余飞行时间，计算个体时间误差。
[0066] 进一步，在带时间误差反馈项的偏置比例导引律控制下，通过协调飞行航迹的方式协调飞行时间。当前置角增大到限制值时，巡飞弹以恒定法向加速度飞行，使前置角维持在最大值附近，确保时间估计的精度。当时间误差收敛时，巡飞弹在比例导引律控制下打击目标。上述控制均计算得到法向加速度，通过姿态映射方法得到滚转角指令，作为巡飞弹自驾仪的输入。
[0067] (1)横侧向三阶段协同制导律
[0068] 本实施例指定巡飞弹命中时间为Td，巡飞弹已飞行时间为t，剩余飞行时间为tgo，则巡飞弹的命中时间误差et可表示为：
[0069] et＝Td‑t‑tgo；
[0070] 当每枚巡飞弹均在命中目标时et等于0，实现在同一个指定时间Td命中目标。
[0071] 比例导引律形式简单，在工程上易于实现。带时间误差反馈项的偏置比例导引律表达式为：
[0072] aITCG＝aPNG+Ket；
[0073] 其中， 为纯比例导引律。 为增益系数。V为巡飞弹速度矢量，N为导航比，R为弹目距离。
[0074] 上述偏置比例导引律在预估剩余飞行时间的基础上提出，剩余时间tgo的估计方法如下，其中η为速度矢量前置角。
[0075]
[0076] 这一剩余时间估计方法在小角度假设下得到，即当速度矢量前置角越小时，其估计精度越高。经过中制导段的调整，巡飞弹在进入末制导阶段时，其初始速度矢量前置角一般较小。但在协调过程中需要通过增加飞行航迹协调剩余飞行时间，因此仍然可能出现大前置角的情况。为避免在协调过程中出现大前置角导致估计时间不准，协同失败，本实施例设计前置角限制机制。
[0077] 限制前置偏角满足ηh≤ηM,ηM∈[60°,90°]。前置偏角变化速率表示为：
[0078]
[0079] 其中，Rxy、Vxy、axy分别为弹目相对距离、巡飞弹速度矢量和法向加速度在横侧向平面内的投影，ψ、λh、ηh分别为偏航角、弹目视线偏角和前置偏角。
[0080] 当前置偏角增大到上限范围时，使前置偏角变化速率为0，从而控制前置偏角不继续增大。此时的法向加速度表示为：
[0081]
[0082] 此外，为保证对目标的精确打击，当时间误差et收敛到0时，将制导律切换为比例导引律。
[0083] 巡飞弹自驾仪内环输入为姿态和油门，因此需要将横侧向得到的法向加速度通过姿态映射的方式转换为姿态角。巡飞弹采用倾斜转弯控制，将法向加速度映射为滚转指令表示为：
[0084]
[0085] 因此，本实施例设计横侧向三阶段时间协同制导算法如附图3所示。横侧向开环协同制导算法包括偏置比例导引段、前置角限制段和纯比例导引段。
[0086] 偏置比例导引段，前置偏角小于最大前置偏角限制，巡飞弹在偏置比例导引律控制下远离目标，通过增加飞行航迹的方法协调飞行时间，这一过程中巡飞弹前置偏角逐渐增大。
[0087] 当巡飞弹的前置偏角增大到最大值时，进入前置角限制段，巡飞弹维持恒定法向加速度，沿对数螺旋曲线飞行，前置偏角不再增大。
[0088] 当计算得到的时间误差收敛时进入比例导引段，巡飞弹切换为比例导引律，前置偏角减小，向目标飞行。
[0089] 纵向上，根据巡飞弹是否进入俯冲分为平飞段和俯冲段。平飞段根据总能量控制理论，将高度和速度控制解耦，得到俯仰角和油门指令，维持巡飞弹稳定平飞。根据前置偏角和前置倾角设计平飞转俯冲切换准则，使高度越高的巡飞弹越早进入俯冲。当满足切换准则时进入俯冲。俯冲段使用积分比例导引，直接得到俯仰角指令。
[0090] (2)纵向两阶段协同制导律
[0091] 根据巡飞弹是否进入俯冲，本实施例将纵向协同制导律分为平飞协调段和俯冲段。
[0092] 1、平飞协调段：巡飞弹进入俯冲之前，在横侧向协同制导律控制下通过增加航迹的方式协调时间误差。所采用的剩余时间估计方法假设巡飞弹速度恒定。因此，为保证协调过程中对剩余时间的估计精度，需要尽可能保持巡飞弹的速度。采用总能量控制理论将高度和速度控制解耦，其核心思想为使用油门控制总能量的变化率，使用升降舵协调动能和势能之间的转换。
[0093] 2、俯冲段：在俯冲段，巡飞弹通过控制俯仰角快速降低高度，向目标俯冲。对比例导引律表达式两边积分，得到积分形式的比例导引律表示为：
[0094]
[0095] 其中 为巡飞弹进入俯冲时的视线倾角初值，θ0为进入俯冲时的俯仰角初值。积分形式的比例导引律将巡飞弹导引至目标。
[0096] 3、“平飞转俯冲”切换准则：不同巡飞弹进入俯冲段的初始高度不同，本实施例设计由平飞段切换到俯冲段的切换准则以满足巡飞弹在俯冲段的协同。为保证制导精度，进入俯冲的必要条件为视线偏角收敛到较小值，可表示为：
[0097] λhi＜ε1；
[0098] 不同高度和弹目距离的巡飞弹视线倾角不同，为实现高度越高的巡飞弹越早进入俯冲，切换准则可表示为：
[0099] λvi＜ε2；
[0100] 同时满足上述两式时得到平飞转俯冲的切换准则。
[0101] 将横侧向平面和纵向平面内的协同制导律结合，得到下层时间约束制导律如附图4所示。横侧向通过偏置比例导引律使巡飞弹协调飞行，当时间误差et收敛到0时切换为比例导引律；纵向在平飞段通过总能量控制理论维持巡飞弹的速度和高度，当满足切换准则时巡飞弹进入俯冲，在俯冲段通过积分比例导引律将巡飞弹导引至目标。
[0102] 实战中往往无法预知实际命中时间，因此，本实施例设计分布式协调策略得到协调一致的命中时间，以替代指定命中时间Td。
[0103] 分布式协调策略假设各弹仅能获得相邻个体的剩余飞行时间估计值，通过加权平均的方法增大剩余飞行时间较大的个体所占的权重，使协调一致时间tgo,i(t)尽可能满足个体命中时间范围[Tmin,Tmax]。分布式协调策略为：
[0104]
[0105] 其中Si表示巡飞弹i的通信拓扑，sj表示其通信拓扑中的巡飞弹数量，kj表示权重。
[0106] 最后巡飞弹自驾仪内环根据输入的姿态角和油门指令，得到舵量和油门量，控制巡飞弹姿态和速度实现时间协同。
[0107] 因此，本发明采用上述一种控制输入受限的巡飞弹集群分布式时间协同制导方法，采用加权平均的方法得到分布式协调策略，使协调一致时间满足巡飞弹飞行时间可调范围下限，减小剩余飞行时间估计误差，提高了算法适应性。
[0108] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
