[发明专利]一种微分对策反拦截机动突防/精确打击导引方法

摘要

一种微分对策反拦截机动突防/精确打击导引方法，它包括以下三个步骤：一、三体微分对策模型建模；包括交战三方的动力学环节模型、交战三方线性化交战模型、三体微分对策模型；二、对原三体微分对策模型进行降维处理得到新的三体微分对策模型；三、基于最优控制理论求解新三体微分对策模型，得到导弹的最优控制律；包括新三体微分对策模型的哈密顿函数、新三体微分对策模型对应的最优控制问题的求解；通过上述三个步骤，本发明描述了三体微分对策模型的建立过程、新旧模型的转换过程以及微分对策模型的求解过程,最终得到了一种微分对策反拦截机动突防/精确打击导引方法。

主权项

1.一种微分对策反拦截机动突防/精确打击导引方法，其特征在于：它包括以下三个步骤：步骤一：三体微分对策模型建模；包括交战三方的动力学环节模型、交战三方线性化交战模型、三体微分对策模型；1.交战三方的动力学环节模型对导弹制导系统来说，动力学环节反映的是导弹实际加速度与指令加速度的关系，指令加速度是导弹的理论控制量，实际加速度是导弹实际能够产生的控制量；本发明假设交战三方的动力学环节均用一阶惯性环节代替，根据自动控制原理中一阶惯性环节输入输出量的关系，得到交战三方各自的指令加速度和实际加速度的关系，也即交战三方的动力学环节模型，具体如下：式中，字母M、T、D分别表示导弹、目标和防御弹；u_M、u_T、u_D分别为导弹、目标及防御弹的指令加速度大小，它们是理论控制量；a_M、a_T、a_D分别为导弹、目标及防御弹的实际加速度大小，它们是实际控制量；分别为a_M、a_T、a_D对时间的导数；τ_M、τ_T、τ_D分别为导弹、目标及防御弹的一阶惯性环节的时间常数；2.交战三方线性化交战模型研究的是导弹的末制导律，在末段，相对速度较大，交战时间很短，假设交战三方的加速度方向垂直于各自的速度方向，即加速度只改变速度的方向而不改变速度的大小，这一假设比较符合实际，在末制导律的设计中很常用；交战参与方有导弹、目标及防御弹三个，涉及到两个初始碰撞三角形，分别是导弹‑目标初始碰撞三角形、导弹‑防御弹初始碰撞三角形，在末段，交战时间很短，相对速度很大，且认为中制导能够为末制导提供较好的制导条件，故假设交战参与方的弹道沿着对应的初始碰撞三角形进行线性化,线性化假设在末制导律的设计中非常普遍，也具有很高的精度；(1)根据加速度垂直于速度方向这一假设，对于导弹和目标这一对交战方，能写出，二者在垂直于目标视线方向上的相对加速度，具体如下：假设导弹和目标的弹道沿着导弹‑目标初始碰撞三角形进行线性化，即二者的弹道与初始碰撞三角形对应边的偏差量很小，转化成数学语言就是如下表达式：γT≈γT0、γM≈γM0、λMT≈λMT0从而，二者在垂直于目标视线方向上的相对加速度简化为如下形式：上述三个式子中，字母M、T分别表示导弹和目标；a_M、a_T分别为导弹和目标的实际加速度大小；γ_M、γ_T分别为导弹和目标的弹道倾角，γ_M0、γ_T0是对应的初值；λ_MT是导弹‑目标交战主体对应的目标视线角，λ_MT0是对应的初值；是导弹和目标在垂直于二者初始视线方向上的相对加速度，积分两次即得到y_MT，对于线性化交战模型，y_MT在拦截时刻的值即为导弹拦截目标的脱靶量；(2)根据加速度垂直于速度方向这一假设，对于导弹和防御弹这一对交战方，能写出，二者在垂直于目标视线方向上的相对加速度，具体如下：假设导弹和防御弹的弹道沿着导弹‑防御弹初始碰撞三角形进行线性化，即二者的弹道与初始碰撞三角形对应边的偏差量很小，转化成数学语言就是如下表达式：γD≈γD0、γM≈γM0、λMD≈λMD0从而，二者在垂直于目标视线方向上的相对加速度简化为如下形式：上述三个式子中，字母M、D分别表示导弹和防御弹；a_M、a_D分别为导弹和防御弹的实际加速度大小；γ_M、γ_D分别为导弹和防御弹的弹道倾角，γ_M0、γ_D0是对应的初值；λ_MD是导弹‑防御弹交战主体对应的目标视线角，λ_MD0是对应的初值；是导弹和防御弹在垂直于二者初始视线方向上的相对加速度，积分两次即得到y_MD，对于线性化交战模型，y_MD在拦截时刻的值即为防御弹拦截导弹的脱靶量；为使微分方程形式简洁，便于书写，将上列(1)和(2)中相对加速度表达式写成如下形式：式中，θT0、θM0、θD0、θ0的表达式如下：θT0＝γT0‑λMT0θM0＝γM0+λMT0θD0＝γD0‑λMD0θ0＝λMT0‑λMD0式中，γT0、γM0、γD0、λMT0、λMD0的定义同本步骤序号2；上述微分方程组即是线性化交战相对运动学模型；3.三体微分对策模型(1)三体微分对策模型的系统方程将上面序号1处的动力学环节模型和序号2处的线性化交战相对运动学模型写成一个微分方程组，如下：其目的是要找到一个最优的控制律，使得导弹能够以最大的脱靶量突防防御弹，同时能够以最小的落点偏差命中目标，因而，既需要关注防御弹和导弹之间的脱靶量、又需要关注导弹和目标之间的脱靶量；在序号2线性化交战模型处已经交代过，对于线性化交战模型，导弹和目标之间的脱靶量即导弹攻击目标的落点偏差就是yMT在对应拦截时刻的值，防御弹和导弹之间的脱靶量就是yMD在对应拦截时刻的值；因此，yMT、yMD须包含在三体微分对策模型的状态变量中，结合上述微分方程组，三体微分对策模型的状态变量归纳如下：式中，X表示状态变量矢量，它是个7维的列向量，上标T表示向量转置，x_i,i＝1…7表示第i个状态变量；表示y_MT对时间的一阶导数，反映的是导弹和目标在垂直初始目标视线方向上的相对速度；表示y_MD对时间的一阶导数，反映的是导弹和防御弹在垂直初始目标视线方向上的相对速度；a_M、a_T、a_D、τ_M、τ_T、τ_D的定义同序号1；假设导弹和防御弹的交战完成时刻要早于导弹和目标交战完成时刻，则防御弹和导弹交战完成后，防御弹消失，剩下导弹和目标，交战的主体由原来的三个变成了两个，为了保持三体微分对策模型的一致性，引入阶跃函数δ，阶跃函数的定义如下：式中，t是当前时刻，tf2是防御弹和导弹交战的完成时刻；分别将上述7个状态变量对时间求一阶导数，并结合上述微分方程组，得到如下由七个微分方程组成的微分方程组：将上述微分方程组写成状态空间形式，具体如下：式中，上标T表示向量转置；A、B和C均为常系数矩阵，表达式如下：C＝[0 0 0 0 0 0 1/τM]T上述状态空间形式即为三体微分对策模型的系统方程；(2)三体微分对策模型的指标函数序号(1)给出了三体微分对策模型的系统方程，对于一个完整微分对策模型，还需要补充指标函数；导弹一方面要以较大的脱靶量突防防御弹，保证自身的生存概率，另一方面要以较小的落点偏差命中目标，保证命中精度；对于导弹来说，期望突防防御弹的脱靶量最大，且攻击目标的落点偏差最小，同时自身消耗的能量最小；对于防御弹和目标这一对组合来说，期望防御弹拦截导弹的脱靶量最小，且目标规避导弹攻击的落点偏差最大，同时消耗的能量最小；在序号2线性化交战模型处已经交代过，对于线性化交战模型，导弹和目标之间的脱靶量用yMT在对应拦截时刻的值表示，防御弹和导弹之间的脱靶量也用yMD在对应拦截时刻的值表示，各自的能量消耗通过控制量平方对时间的积分来表示，因此，三体微分对策模型的指标函数用下式表示：对于导弹来说，期望找到最优控制律使得指标函数J最大，即maxJ，对于目标和防御弹这对组合来说，期望找到最优控制律使得指标函数J最小，即minJ，这是一个典型的双边最优控制问题，后续需要应用最优控制理论进行求解；上式中，J是三体微分对策模型的指标函数；t_f1、t_f2分别是导弹和目标之间、导弹和防御弹之间交战的拦截时刻即完成时刻；y_MT(t_f1)是在拦截时刻t_f1，导弹和目标在垂直于二者初始视线方向上的偏差量，即为导弹和目标之间的落点偏差；y_MD(t_f2)是在拦截时刻t_f2，导弹和防御弹在垂直于二者初始视线方向上的偏差量，即导弹和目标之间的脱靶量；a_MT、a_MD分别是与y_MT(t_f1)、y_MD(t_f2)相关的权重系数，均为非负数；u_M、u_T、u_D分别为导弹、目标及防御弹的指令加速度大小，或者说控制量；β_T、β_D分别是与积分相关的权重系数，均为非负数；t是时间，右侧积分项表示对时间t的积分；t_f1、t_f2的表达式如下所示：tf1＝RMT0/(VMcosθM0+VTcosθT0)tf2＝RMD0/(VMcosθM0+VDcosθD0)式中，VM、VT、VD分别为导弹、目标及防御弹的速度大小；RMT0、RMD0分别为导弹和目标、导弹和防御弹之间的初始距离；θM0、θT0、θD0的定义同序号2；如此，就建立了三体微分对策模型；序号1和2提供了三体微分对策模型的原始微分方程组，序号3的(1)对原始微分方程组进行处理，得到三体微分对策模型的系统方程，结合(2)的指标函数，组成了三体微分对策模型；步骤二：对原三体微分对策模型进行降维处理得到新的三体微分对策模型；包括零控脱靶量矢量的定义、新三体微分对策模型的系统方程、新三体微分对策模型指标函数；1.零控脱靶量矢量的定义原三体微分对策模型的系统方程包含七个微分方程，是七维的，后续求解需要进行多次积分，处理起来较为复杂；为了简化求解难度，定义新的状态量，即零控脱靶量矢量ZEM，将原七维问题降阶为二维问题，ZEM的定义式如下：式中，z1、z2是ZEM的两个分量，z1是从当前时刻t到拦截时刻tf1，导弹和目标都不施加控制时得到的脱靶量，即零控脱靶量；z2是从当前时刻t到拦截时刻tf2，防御弹和导弹都不施加控制时得到的脱靶量；X是原三体微分模型的七维状态变量矢量；D是常系数矩阵；Φ(tf‑t)是原三体微分对策模型的，从t时刻到tf时刻的状态转移矩阵；tf1、tf2分别是导弹和目标之间的拦截时刻、导弹和防御弹之间的拦截时刻；D矩阵为：状态转移矩阵通过下式进行求解：Φ(tf‑t)＝L‑1[(sI‑A)‑1]式中，I是7阶单位矩阵；A是原三体微分对策模型系统方程中的常系数矩阵；s是频域变量；(sI‑A)‑1表示对矩阵(sI‑A)求逆；L‑1(·)表示拉普拉斯逆变换；代入A的表达式，得到状态转移矩阵的表达式为：将状态转移矩阵Φ(tf1‑t)、Φ(tf2‑t)，系数矩阵D以及原三体微分对策模型的状态变量矢量X代入ZEM的定义式中，得到ZEM的表达式如下式中，t_go1是导弹和目标之间的剩余飞行时间，它等于拦截时刻t_f1与当前时刻t之差；t_go2是导弹和防御弹之间的剩余飞行时间，它等于拦截时刻t_f2与当前时刻t之差；t_f1、t_f2、a_T、a_M、a_D、τ_T、τ_M、τ_D、y_MT、y_MD、θ₀定义同步骤一；f_T(t)、f_D(t)、f_M1(t)、f_M2(t)的表达式为：fT(t)＝cosθT0τTψ(εT1)fD(t)＝cosθD0τDψ(εD2)fM1(t)＝cosθM0τMψ(εM1)fM2(t)＝cosθM0τMψ(εM2)式中，θT0、θD0、θM0的定义同步骤一；εT1、εD2、εM1、εM2及ψ(ε)函数的表达式如下：εT1＝tgo1/τTεD2＝tgo2/τDεM1＝tgo1/τMεM2＝tgo2/τMψ(ε)＝e‑ε+ε‑1式中，tgo1、tgo2的定义同上；ε是任意变量；e是自然底数；2.新三体微分对策模型的系统方程本步骤二中的序号1定义了零控脱靶量矢量ZEM，它包含两个分量z1、z2，二者的表达式同序号1，将z1、z2的表达式对时间t求一阶导数，并结合步骤一处的系统方程，得到如下两个微分方程：式中，分别表示z₁、z₂对时间t的一阶导数；u_M、u_T、u_D、θ₀、δ的定义同步骤一；f_T(t)、f_D(t)、f_M1(t)、f_M2(t)的定义同本步骤的序号1；这两个微分方程等价替换了原三体微分对策模型的系统方程，构成了新三体微分对策模型的系统方程；原三体微分对策模型的系统方程包含7个微分方程，本步骤通过定义新的状态变量矢量ZEM后,只需要用2个微分方程就能等价替换原7个微分方程，大大简化了后续求解难度；3.新三体微分对策模型指标函数根据零控脱靶量的物理意义，在拦截时刻，零控脱靶量就是实际交战的脱靶量，因此有下述式子成立：yMT(tf1)＝z1(tf1)yMD(tf2)＝z2(tf2)从而，原三体微分对策模型的指标函数就能等价替换为如下形式：式中，J′是与原指标函数等价的新指标函数，它是新三体微分对策模型的指标函数；z1(tf1)是z1在拦截时刻tf1对应的值，它和步骤一中指标函数处的脱靶量yMT(tf1)是等价的；z2(tf2)是z2在拦截时刻tf2对应的值，它和步骤一中指标函数处的脱靶量yMD(tf2)是等价的；uM、uT、uD、aMT、aMD、βT、βD、tf1、tf2定义同步骤一，对于导弹来说，期望使指标函数最大，即maxJ′，对于目标和防御弹这对组合来说，期望使指标函数最小，即minJ′，这是一个典型的双边最优控制问题，需要用最优控制理论进行求解，求解过程在步骤三给出；本步骤中，序号2处的新三体微分对策模型的系统方程，和序号3处新三体微分对策模型的指标函数，共同组成了新三体微分对策模型；新模型是二维的，相比于原模型，形式上更简洁，后续求解也更加简单；步骤三：基于最优控制理论求解新三体微分对策模型，得到导弹的最优控制律；包括新三体微分对策模型的哈密顿函数、新三体微分对策模型对应的最优控制问题的求解；1.新三体微分对策模型的哈密顿函数新三体微分对策模型实际上是一个双边最优控制问题，要求解该最优控制问题，首先需要建立模型所对应的哈密顿函数；根据最优控制理论相关知识，新三体微分对策模型所对应的哈密顿函数为：将表达式即步骤二的序号2带入上式，即得到本模型对应的哈密顿函数，具体如下：式中，H是新三体微分对策模型所对应的哈密顿函数；λ₁、λ₂分别是与相关的协态变量；的定义同步骤二；u_M、u_T、u_D、β_T、β_D的定义同步骤一；2.基于最优控制理论求解新三体微分对策模型所对应的最优控制问题新三体微分对策模型实际上是双边最优控制问题，一方即导弹期望指标函数最大，另一方即目标和防御弹组合期望指标函数最小，这是一个典型的最优控制问题，对该问题，最优控制理论给出了具体的求解方法；下面基于最优控制理论，求解新三体微分对策模型对应的最优控制问题，具体如下：在最优控制理论中，协态方程反映的是哈密顿函数对状态量的偏导数与协态变量一阶导数的关系，具体为式中，X是任意最优控制问题的状态变量矢量；对于新三体微分对策模型，状态变量矢量是ZEM，它包含z1、z2两个状态量，得本最优控制问题的协态方程为：式中分别是协态变量λ₁、λ₂对时间的导数；分别表示哈密顿函数H对状态量z₁、z₂的偏导数，z₁、z₂的定义同步骤二；由于本最优控制问题的哈密顿函数H不显含状态量z₁、z₂，故：从而有：在最优控制理论中，通常将指标函数中与终端状态相关项记为是终端时刻t_f和终端状态X(t_f)的函数，横截条件反映的是协态变量的终端值与函数与对应状态量偏导数的关系，具体为：式中，X是任意最优控制问题的状态变量矢量，λ是对应的协态变量矢量，tf是对应的终端时刻；针对本最优控制问题，首先根据指标函数即步骤二的序号3处：可以写出函数再根据函数，写出本最优控制问题的横街条件，如下：式中，表示函数对状态量z₁、z₂的偏导数,代入的表达式，得到λ₁、λ₂在拦截时刻的值，如下：λ1(tf1)＝‑αMTz1(tf1)，λ2(tf2)＝αMDz2(tf2)式中，λ1(tf1)是协态变量λ1在拦截时刻tf1对应的值；λ2(tf2)是协态变量λ2在终端时刻值tf2对应的值；tf1、tf2的定义同步骤一；z1(tf1)、z2(tf2)的定义同步骤二；aMT、aMD的定义同步骤一；根据协态方程结果和λ1(tf1)、λ2(tf2)的表达式，得到协态变量λ1、λ2的表达式为：λ1＝‑αMTz1(tf1)，λ2＝αMDz2(tf2)式中，z1(tf1)、z2(tf2)的定义同步骤二；aMT、aMD的定义同步骤一；在最优控制理论中，耦合方程反映的是哈密顿函数与控制量的关系，当控制量使得哈密顿函数取得极值时，即为最优控制律，耦合方程表达式为：式中，u是任意最优控制问题的控制量矢量；对于本最优控制问题，控制量矢量u＝[uT；uD；uM]，即本最优控制问题的耦合方程为：式中，分别表示哈密顿函数H对控制量u_M、u_T、u_D的偏导数；u_M、u_T、u_D的定义同步骤一；将本步骤序号1处哈密顿函数H的表达式代入上述耦合方程，即得到如下方程组：代入上面求得的λ1、λ2表达式，就得到交战三方的最优控制律，表达式如下：式中，分别是导弹、目标、防御弹的最优控制律；a_MT、a_MD、β_T、β_D、θ₀、δ的定义同步骤一；f_T(t)、f_D(t)、f_M1(t)、f_M2(t)、z₁(t_f1)、z₂(t_f2)的定义同步骤二；三者的最优控制律均是z1(tf1)、z2(tf2)的显示表达式，然而，在实际交战中，并不知道终端时刻的零控脱靶量z1(tf1)、z2(tf2)，只能够通过当前交战双方的信息计算当前时刻的零控脱靶量z1(t)、z2(t)，因此，很有必要建立z1(t)、z2(t)和z1(tf1)、z2(tf2)的显示关系；将最优控制律代入新三体微分对策模型的系统方程中即步骤二的序号2：得到将得到的微分方程在[t，tf1]内对时间积分，且考虑到在步骤一中的阶跃函数δ的表达式：以及，导弹和防御弹的交战完成时刻要先于导弹和目标的交战完成时刻，即得到关于z₁(t_f1)、z₂(t_f2)的线性方程组，如下：式中，t是当前时刻，z1(t)是当前时刻，导弹和目标之间的零控脱靶量，z2(t)是当前时刻，导弹和防御弹之间的零控脱靶量，后面为了书写方便，分别记为z1、z2；系数矩阵K的表达式如下：式中，gMT、gMD、kMT、kMD的表达式为：gMT＝αMT[h(εT1)/βT‑h(εM1)]gMD＝αMDcosθ0h′(εM2)kMT＝αMTcosθ0h′(εM2)kMD＝αMD[h(εD2)/βD‑cos2θ0h(εM2)]式中，aMT、aMD、βT、βD、θ0定义同步骤一；εT1、εD2、εM1、εM2的定义同步骤二；h(εT1)、h(εM1)、h(εD2)、h(εM2)、h′(εM2)的表达式如下：式中，ε_T1、ε_D2、ε_M1、ε_M2、函数ψ(ε)的表达式同步骤二；θ_T0、θ_D0、θ_M0、τ_T、τ_D、τ_M的定义同步骤一；函数k₁(ε)、k₂(ε)、k₃(ε)、g(ε)、Δε_M表达式如下：k1(ε)＝(‑0.5e‑2ε‑2εe‑ε+ε3/3‑ε2+ε+0.5)k2(ε)＝‑(ε+1)e‑ε+ε3/3‑0.5ε2+1k3(ε)＝‑e‑ε+0.5ε2‑ε+1g(ε)＝e‑εΔεM＝(tf1‑tf2)/τM式中ε为任意变量；e为自然底数；tf1、tf2的定义同步骤一；根据克莱姆法则，求解上述线性方程组，得到z1(tf1)、z2(tf2)的表达式如下：式中，Δ是系数矩阵K的行列式；Δ11、Δ12、Δ21、Δ22分别是行列式Δ对应下标元素的代数余子式，如Δ12表示行列式Δ对应第1行第2列元素的代数余子式；上述表达式建立了终端时刻零控脱靶量z1(tf1)、z2(tf2)和当前时刻零控脱靶量z1、z2的显示关系；将z₁(t_f1)、z₂(t_f2)的表达式代入导弹的最优控制律中，并进行整理，即得到导弹的最优控制律即是一种微分对策反拦截机动突防/精确打击导引方法；式中，第一项用于导引导弹拦截目标，即落点精度控制作用，第二项用于导引导弹规避防御弹的拦截，即起突防作用；t_go1、t_go2、z₁、z₂的定义同步骤二；N_M1是关于零控脱靶量z₁的有效导航系数；N_M2是关于零控脱靶量z₂的有效导航系数，N_M1、N_M2的表达式为：式中，aMT、aMD、tgo1、tgo2、θ0的定义同步骤一；tgo1、tgo2、fM1(t)、fM2(t)的定义同步骤二；Δ11、Δ12、Δ21、Δ22、Δ的定义同步骤三；上述三个步骤中，步骤一是根据交战三方的动力学环节和线性化相对运动学模型建立三体对抗微分对策模型；考虑到步骤一的三体微分对策模型是七维的，求解难度大，步骤二对其进行了处理，通过零控脱靶量矢量将原七维问题降阶成二维问题，得到了新的三体微分对策模型；步骤三是基于最优控制理论，对新三体微分对策模型所对应的双边最优控制问题进行求解，得到导弹的最优控制律，该最优控制律即是一种微分对策反拦截机动突防/精确打击导引方法；通过上述三个步骤，描述了三体微分对策模型的建立过程、新旧模型的转换过程以及微分对策模型的求解过程,最终得到了一种微分对策反拦截机动突防/精确打击导引方法。