專利名稱：以機(jī)動(dòng)過載為控制量的低空突防導(dǎo)彈三維航跡規(guī)劃方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及遠(yuǎn)程導(dǎo)彈武器系統(tǒng)任務(wù)規(guī)劃領(lǐng)域，更具體的是遠(yuǎn)程導(dǎo)彈低空突防 技術(shù)領(lǐng)域。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，導(dǎo)彈安全突防是實(shí)現(xiàn)精確打擊的關(guān)鍵。而低空導(dǎo)彈發(fā) 射前的航跡規(guī)劃技術(shù)是導(dǎo)彈低空突防作戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。本發(fā)明主要提出了一 種新的最優(yōu)航路規(guī)劃方法，并給出了實(shí)施例。
本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于各種先進(jìn)飛行器低空突防作戰(zhàn)前的最優(yōu)航跡規(guī)劃，具有 重要的軍事應(yīng)用前景。也可用于民用飛行器的三維航跡規(guī)劃，具有廣闊的市場(chǎng)前 景和應(yīng)用價(jià)值。
背景技術(shù)：
航跡規(guī)劃的目的是依據(jù)地形和威脅信息，在綜合考慮飛行器機(jī)動(dòng)性能、突防 概率、撞地概率和飛行時(shí)間等約束條件下，找出從起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)導(dǎo)彈生存概率 最大的飛行航跡。
我國(guó)的航跡規(guī)劃技術(shù)基本還處于起步階段。
在低空突防導(dǎo)彈航跡規(guī)劃技術(shù)的研究中，目前很多研究人員都采用AA算法 等優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行航跡尋優(yōu)，而使用A+算法尋找最優(yōu)航跡的核心技術(shù)之一是確定 搜索策略，即如何擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)，得到侯選節(jié)點(diǎn)的集合構(gòu)成問題的解空間，即搜索空
間。搜索空間必須具備兩個(gè)條件 一是最優(yōu)性，能夠充分覆蓋包含最優(yōu)航跡的解
空間；二是高效性，即能夠利用約束條件有效裁剪解空間，提高搜索效率，降低 計(jì)算的時(shí)空復(fù)雜度。
目前國(guó)內(nèi)研究人員采用的搜索空間特點(diǎn)是，在水平面和鉛垂面內(nèi)以地形網(wǎng)格 點(diǎn)張成搜索平面或搜索空間，進(jìn)行二維或三維航跡規(guī)劃。因此所生成的最優(yōu)航跡 沒有也不可能考慮導(dǎo)彈的機(jī)動(dòng)過載能力約束，所以基于這種搜索空間而得到的最 優(yōu)航跡有可能是不可直接使用的航跡。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述技術(shù)中的不足，提供一種以機(jī)動(dòng)過載為控制量 的低空突防導(dǎo)彈三維航跡規(guī)劃方法，即充分考慮導(dǎo)彈機(jī)動(dòng)過載能力約束，以導(dǎo)彈 機(jī)動(dòng)過載為控制量，張成導(dǎo)彈航跡規(guī)劃的搜索空間；通過對(duì)采樣時(shí)間Af和過載
值 、""2的離散個(gè)數(shù)進(jìn)行限制，利用飛行高度和航向約束來裁剪搜索空間，生 成以過載為控制量的高效搜索空間；利用八*優(yōu)化算法，進(jìn)行導(dǎo)彈三維航跡規(guī)劃。 該方法能有效實(shí)現(xiàn)三維搜索，得到最優(yōu)三維航跡；該航跡能充分滿足實(shí)際導(dǎo)彈制 導(dǎo)回路對(duì)過載的約束，即航跡是直接可用的。
所述的方法是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，所述的方法包括步驟
1) 將導(dǎo)彈的法向過載 和"h作為控制量，在它們的取值范圍內(nèi)離散為一 系列值；
2) 依據(jù)過載所確定的轉(zhuǎn)彎半徑計(jì)算出導(dǎo)彈在下一時(shí)刻(擴(kuò)展節(jié)點(diǎn))的位置 量和彈道角，進(jìn)而形成航跡規(guī)劃中的搜索空間；
3) 把這些擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)作為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)繼續(xù)擴(kuò)展下去，構(gòu)成了包含最優(yōu)航跡的可 行解空間；
4) 對(duì)采樣時(shí)間"和過載值 、 的離散個(gè)數(shù)進(jìn)行限制，并利用飛行高度 和航向約束來裁剪搜索空間，生成以過載為控制量的高效搜索空間；
5)根據(jù)武器系統(tǒng)作戰(zhàn)需求選擇代價(jià)函數(shù)和啟發(fā)函數(shù)，采用AM尤化算法進(jìn)行 最優(yōu)航跡優(yōu)化，確定使代價(jià)函數(shù)最小且滿足導(dǎo)彈機(jī)動(dòng)過載要求的最優(yōu)航跡， 所生成的航路充分考慮了導(dǎo)彈的機(jī)動(dòng)過載限制，是可直接使用的。 本發(fā)明的有益效果是可廣泛應(yīng)用于各種低空突防飛行器最優(yōu)航跡的制定，也
可應(yīng)用于今后可能出現(xiàn)的各種民用低空飛行器的最優(yōu)航跡的確定，具有廣闊的市
場(chǎng)前景和應(yīng)用價(jià)值。


圖1 一本發(fā)明的總體框圖2.—以過載為控制量張成的三維搜索空間示意圖3—給高度的代價(jià)賦予了較高的權(quán)值，并且對(duì)飛行高度進(jìn)行了嚴(yán)格限制后 得到的優(yōu)化航跡；
圖4—以希望航跡的飛行距離較短為代價(jià)，得到的最優(yōu)規(guī)劃航跡； 圖5—以飛行航跡能夠盡量回避威脅為代價(jià)得到的優(yōu)化航跡。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步描述。圖1是本發(fā)明 的總體框圖，包括下述步驟
1) 利用導(dǎo)彈的法向過載"a和"h作為控制量，將它們?cè)谌≈捣秶鷥?nèi)離散為一系 列值，具體地講是將水平過載 離散成N個(gè)值，將鉛垂過載"h離散得到的 M個(gè)值，分別作為控制量；
2) 計(jì)算出導(dǎo)彈在下一時(shí)刻(擴(kuò)展節(jié)點(diǎn))的位置量和彈道角，形成航跡規(guī)劃中的 搜索空間。具體地講，根據(jù)WxM個(gè)組合和當(dāng)前節(jié)點(diǎn)""^"，凡'《'^)計(jì)算 出iVxM個(gè)擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)K+pZ'!+p凡+P《+P^J，在空間構(gòu)成一個(gè)形如球面錐體的幾何
空間。圖2為以過載為控制量生成的三維搜索空間示意圖。 擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)的位置和彈道角計(jì)算方法如下
當(dāng)導(dǎo)彈做水平側(cè)滑轉(zhuǎn)彎時(shí)，導(dǎo)彈在第n+l時(shí)刻的水平位置及彈道偏角為
<formula>formula see original document page 5</formula>
當(dāng)導(dǎo)彈做水平直線飛行時(shí)，導(dǎo)彈在第n+l時(shí)刻的水平位置及彈道偏角為:
<formula>formula see original document page 5</formula>
當(dāng)導(dǎo)彈在做爬升/俯沖機(jī)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)彈在第n+l時(shí)刻的鉛垂位置及彈道傾角為
<formula>formula see original document page 5</formula>
當(dāng)導(dǎo)彈在鉛垂面內(nèi)做直線飛行時(shí)，導(dǎo)彈在第n+l時(shí)刻的鉛垂位置及彈道傾角
<formula>formula see original document page 5</formula>
其中，^和^分別是由導(dǎo)彈俯仰過載和側(cè)向過載所確定的轉(zhuǎn)彎半徑。
3)把這些擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)作為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)繼續(xù)擴(kuò)展下去，構(gòu)成了包含最優(yōu)航跡的可行解 空間，實(shí)現(xiàn)了搜索策略的最優(yōu)性和航跡的合理性； 導(dǎo)彈位置在三維空間中的遞推方程如下
當(dāng)"-^o且"',o時(shí)，
、+i = x + r// [cossin A- (1 _ cos A ) sin ] = z,, + & [(l - cos A ) cos+ sin sin A y ]
"I 7"+i = 乂， + ^ [(l 一 cos A《,)cos《+ sin《sin A《,]
當(dāng)""0且",2=0時(shí)，
'x,,+1 = x + & [cossin A y _ (1 - cos A ) sin ]
= z" + r// [(1 _ cos △ V") cos+ sin ^ sin △ W ] <凡+1 +F"sin6)" d =《，
當(dāng)"^o且"^o時(shí)，
x +1 = xw + FA/1 cos《cosy +1 = — FA"os《sii平" < L+1 = —cosA《)cos《'十sin《sinA《]
當(dāng)^=0且 =0時(shí)，
= x,7 + KAf cos《,cos ^z;, = z — cos《sin y
4) 生成以過載為控制量的高效搜索空間
對(duì)采樣時(shí)間&和過載值 、 2的離散個(gè)數(shù)進(jìn)行限制，結(jié)合飛行高度、航向 約束，在航跡節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展的同時(shí)將不合理的分枝修剪掉，就可以得到既滿足最優(yōu)性， 又滿足計(jì)算高效性的搜索策略。
5) 在以上述原則建立的搜索空間建立中，根據(jù)武器系統(tǒng)作戰(zhàn)需求選擇代價(jià)函數(shù) 和啟發(fā)函數(shù)，采用八*優(yōu)化算法進(jìn)行最優(yōu)航跡優(yōu)化。
A+算法在所要搜索的狀態(tài)空間中，通過計(jì)算每一個(gè)可能的"下一個(gè)"搜索 位置的代價(jià)函數(shù)，然后為增加的搜索空間選擇最低代價(jià)的位置。隨著搜索空間新 位置的增加可能產(chǎn)生更多的路徑，利用從每一個(gè)位置反饋給上一級(jí)位置的信息來 聯(lián)系整條路徑，這樣搜索空間的所有路徑都得到描述，最終確定使代價(jià)函數(shù)最小 且滿足導(dǎo)彈機(jī)動(dòng)過載要求的最優(yōu)航跡。
采用Ae算法進(jìn)行搜索需要用到兩個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)open表和closed表。open表
用于存放被擴(kuò)展到的節(jié)點(diǎn)，代價(jià)小的在open表前端。closed表用于存放已經(jīng)擴(kuò)
展過的節(jié)點(diǎn)。在任意位置，航跡節(jié)點(diǎn)n應(yīng)該儲(chǔ)存以下信息
—空間位置量(Xn，Zn，yJ
彈道傾角《、彈道偏角^。 A^/e,, = j過載控制量 、
航跡代價(jià)/(") = ^(") + /7(")
、指向父節(jié)點(diǎn)的指針 采用A申算法進(jìn)行三維航跡規(guī)劃的具體步驟略。
圖3是給高度的代價(jià)賦予了較高的權(quán)值，并且對(duì)飛行高度進(jìn)行了嚴(yán)格限制后 得到的優(yōu)化航跡。圖4是以使希望航跡的飛行距離較短，得到的最優(yōu)規(guī)劃航跡。 圖5即以飛行航跡能夠盡量回避威脅為代價(jià)得到的優(yōu)化航跡。由圖可見，本發(fā)明 以過載為控制量建立三維搜索空間的方法是正確的，在這樣的搜索空間中利用 八*算法所設(shè)計(jì)的三維航跡規(guī)劃方法是實(shí)用的，有工程應(yīng)用價(jià)值的。
該方法能充分利用地形信息，自動(dòng)進(jìn)行地形回避。利用這種基于Af算法的 三維航跡規(guī)劃方法得到的飛行航跡是滿足導(dǎo)彈過載約束下的最優(yōu)航跡，并能直接 作為航跡跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的參考輸入。
在不同導(dǎo)彈的具體應(yīng)用中，可以根據(jù)飛行策略選擇不同的權(quán)重，來調(diào)節(jié)飛
行航跡，以適應(yīng)戰(zhàn)術(shù)任務(wù)需要。
權(quán)利要求
1.一種以機(jī)動(dòng)過載為控制量的低空突防導(dǎo)彈三維航跡規(guī)劃方法，其特征在于以導(dǎo)彈機(jī)動(dòng)過載為控制量，張成A*優(yōu)化算法的三維搜索空間；包括以下步驟1)將導(dǎo)彈的法向過載nz2和ny2作為控制量，在它們的取值范圍內(nèi)離散為一系列值；2)依據(jù)過載所確定的轉(zhuǎn)彎半徑計(jì)算出導(dǎo)彈在下一時(shí)刻(擴(kuò)展節(jié)點(diǎn))的位置量和彈道角，進(jìn)而形成航跡規(guī)劃中的搜索空間；3)把這些擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)作為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)繼續(xù)擴(kuò)展下去，構(gòu)成了包含最優(yōu)航跡的可行解空間；4)對(duì)采樣時(shí)間Δt和過載值nz2、ny2的離散個(gè)數(shù)進(jìn)行限制，并利用飛行高度和航向約束來裁剪搜索空間，生成以過載為控制量的高效搜索空間；5)根據(jù)武器系統(tǒng)作戰(zhàn)需求選擇代價(jià)函數(shù)和啟發(fā)函數(shù)，采用A*優(yōu)化算法進(jìn)行最優(yōu)航跡優(yōu)化，確定使代價(jià)函數(shù)最小且滿足導(dǎo)彈機(jī)動(dòng)過載要求的最優(yōu)航跡。
全文摘要
本發(fā)明是一種以機(jī)動(dòng)過載為控制量的低空突防導(dǎo)彈三維航跡規(guī)劃方法，涉及遠(yuǎn)程飛行器低空突防技術(shù)。該方法將導(dǎo)彈的法向過載n_z2和n_y2作為控制量，張成航跡規(guī)劃的搜索空間；對(duì)采樣時(shí)間Δt和過載值n_z2、n_y2的離散個(gè)數(shù)進(jìn)行限制，并利用飛行高度和航向約束來裁剪搜索空間，生成以過載為控制量的高效搜索空間；在上述搜索空間內(nèi)，采用A^*優(yōu)化算法進(jìn)行航跡優(yōu)化，最終確定使代價(jià)函數(shù)最小且滿足導(dǎo)彈機(jī)動(dòng)過載要求的最優(yōu)航跡。本發(fā)明在低空突防導(dǎo)彈的航跡規(guī)劃中，充分考慮了導(dǎo)彈的機(jī)動(dòng)過載限制，使所生成的航跡不僅是最優(yōu)的，而且是可直接使用的。本方法實(shí)用性強(qiáng)，可廣泛應(yīng)用于低空突防飛行器的飛行航跡優(yōu)化。
文檔編號(hào)G05D1/10GK101101650SQ20071011820
公開日2008年1月9日 申請(qǐng)日期2007年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月2日
發(fā)明者宋建梅, 侃 李 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)