一种大气层内多杀伤器编队飞行控制技术探讨

郑勇斌，王英焕，李运迁，魏明英

(北京电子工程总体研究所，北京 100854)

一种大气层内多杀伤器编队飞行控制技术探讨

郑勇斌，王英焕，李运迁，魏明英

(北京电子工程总体研究所，北京 100854)

对多杀伤器编队控制设计内容进行了探讨，结合某种体制探测目标需求，研究了编队队形约束设计、编队距离控制方法、编队构建控制方法、编队主动机动策略、发动机推力可控下的编队控制技术和编队影响因素分析，并进行了仿真对比；最后指出编队控制技术研究不足以及需要进一步研究的地方。

多杀伤器； 编队控制 ； 队形约束；编队距离；编队构建 ；主动机动

0 引言

编队控制技术在机器人中研究起步较早，后被引入无人机的编队控制[1]、卫星的编队控制[2-3]，而在大气层内杀伤器中研究刚刚起步，但是多杀伤器编队飞行的作战模式，已得到越来越多国家的青睐。一个典型代表就是俄罗斯装备部队的“花岗岩”反舰导弹[4]，第1枚“花岗岩”导弹在空中自行锁定打击目标，同时减速飞行，等待第2枚直至最后1枚导弹发射脱离系统之后，采用编队战术向目标发起攻击。领弹装备先进的探测与抗干扰系统，根据战场情况实时修正数据，并将攻击指令分配给低空飞行的攻击弹，一旦目标群中的主要目标被摧毁，其他的导弹就可以攻击剩余的目标，实现最佳战术目的。

多杀伤器通过编队飞行实现信息共享，采取协同策略可弥补单一传感器精度局限或者单一杀伤器能力局限，提高整体作战能力[5-6]。在这种作战模式下，杀伤器的突防能力、电子对抗能力、对机动目标的搜捕能力和拦截能力能得到大幅提升。

1 编队控制设计内容

编队控制设计内容主要包括编队体系结构选择、编队队形设计和编队队形控制[7]。在具体应用过程中，可根据实际情况灵活采用某种思想或多种思想的综合。

1.1 编队体系结构

从系统设计的角度来看，导弹的编队需要面向动态变化环境，要有利于系统实现对环境的自组织适应能力，最大程度地发挥个体能力和最高效率地完成任务。体系结构主要有3种：集中式、分布式和分层式,如图1所示。具体研究中选取的是集中式体系结构。

1.2 编队队形设计

为了保证队形的完整[8]，必须要有一个队形的调节机制，即在编队过程中，必须要有一个参考点，使各导弹能够根据参考点确定自己在队列中的位置，从而形成一定的队形。参考点的选取方法通常有3种，见图2所示。具体研究中采取的是中心参考点法和领航参考点相结合的队形设计。

1.3 编队队形控制

编队队形控制是指多导弹在飞行过程中，建立并保持预先决定的队形，同时又要适应环境约束的控制技术。队形控制中一般需考虑空间位置的协调和时间上的协调。其中要解决的主要问题包括队形的建立问题、移动中队形保持问题和队形切换问题[9]。

二是建构反本质主义的文学史观与文学史多元化书写的可能。文化研究的反本质主义思维打破了固有文学史的本质主义观念。台湾“重写文学史”的倡导者们提出了“多元”的文学史观念。事实上，文学史的书写是历时与共时的交汇，是多种因素相互博弈的结果。历时研究显示了文学发展演变的纵向历史轨迹；而共时研究则关注文学史内部共时结构的特征以及各种因素之间的相互关系。[16]文化研究介入“重写文学史”思潮之中，打破了原先文学史单一的线性书写模式。把历史发生与共时结构考察相结合，更使文学史书写呈现了丰富性与开放性。

图1 集中式、分布式、分层式体系结构Fig.1 Centralized, distributed and delaminated structure

图2 编队队形设计参考点选取示意图Fig.2 Selection sketch of reference points in formation design

2 编队飞行控制研究

目前，展开的编队飞行控制研究内容包括编队队形约束设计、编队距离控制方法、编队构建控制方法、编队主动机动控制策略、发动机轴向推力可控的编队控制技术、影响编队飞行因素分析等。

2.1 编队队形约束设计

为满足某种探测设备探测目标的需求，多杀伤器编队需满足杀伤器间距离要求、辅杀伤器与主杀伤器夹角要求和主杀伤器与目标连线的法平面与编队平面夹角要求，见图3所示。编队队形具体约束需根据使用要求以及探测设备工作原理确定。

图3 编队飞行空间示意图Fig.3 Sketch of formation flight space

2.2 编队距离控制方法

基于发射坐标系建立多杀伤器间的位置关系，根据实际位置与期望位置之间的偏差以及偏差控制规律，得到发动机轴向推力不可控和可控下的过载控制量，完成多杀伤器的编队距离控制。

2.3 编队构建控制方法

采用领航参考点和虚拟参考点2种编队构建控制方法进行编队构建[10-12]控制方法研究。领航参考点方法是以主杀伤器为原点，辅杀伤器向预定编队平面的位置飞行，此方法需要辅杀伤器以大机动飞向预定编队平面，导致辅杀伤器速度损失较大，易超出编队飞行要求。虚拟参考点方法是编队开始阶段要求主杀伤器和辅杀伤器一起机动，飞行至预定编队平面，编队构建结束后按预定编队平面距离控制。

图4～6分别是在某偏差与干扰下，2种编队构建控制方法下的杀伤器间速度曲线、杀伤器间距离曲线和弹目视线法平面与编队平面夹角曲线。从曲线看出，采用虚拟参考点法构建编队平面，能减小杀伤器间的速度差异，有助于编队控制平面满足空中分布式探测要求。

图4 2种编队控制方法下的杀伤器间速度曲线Fig.4 Velocity curve of interceptors with two control methods of formation

图5 2种编队控制方法下的杀伤器间距离曲线Fig.5 Distance curve of interceptors with two control methods of formation

图6 2种编队控制方法下的弹目视线法平面与编队平面夹角曲线Fig.6 Angle curve of planes with two control methods of formation

2.4 编队主动机动策略

在发动机轴向推力不可控前提下需考虑杀伤器的主动机动策略问题。主动机动策略设计内容包括主动机动的选择、主动机动时机、主动机动指令设计。在主动机动过程中，要采取措施避免杀伤器的过载指令剧烈跳变带来的不良影响。图7和8分别是在某偏差与干扰下，主动机动和不主动机动下的导弹速度曲线和弹目视线法平面与编队平面夹角曲线。从曲线看出，主动机动后，杀伤器间速度差异减小，弹目视线法平面与编队平面的夹角也减小了，提高了编队飞行成功率。

图7 主动机动和不主动机动下的杀伤器速度曲线Fig.7 Velocity curve of interceptors with maneuver and without maneuver

图8 主动机动和不主动机动下的弹目视线法平面与编队平面夹角曲线Fig.8 Angle curve of planes with maneuver and without maneuver

2.5 发动机推力可控下的编队控制技术

以上研究基于发动机推力不可控下的编队控制技术研究。图9～11是在某偏差与干扰下考虑轴向推力可控和不可控的仿真曲线。从曲线看出，考虑到发动机轴向推力可控下，杀伤器间的编队距离控制更精确，弹目视线法平面与编队平面的夹角逐步衰减至0附近。此编队控制技术有赖于发动机推力可控技术的应用，从目前看实现有较大难度，有待于后续深化研究。

图9 发动机轴向可控和不可控下的杀伤器间速度曲线Fig.9 Velocity curve of interceptors with axis-thrust controlled and uncontrolled

图10 发动机轴向可控和不可控下的杀伤器间距离曲线Fig.10 Distance curve of interceptors with axis-thrust controlled and uncontrolled

图11 发动机轴向可控和不可控下的弹目视线法平面与编队平面夹角曲线Fig.11 Angle curve of planes with axis-thrust controlled and uncontrolled

2.6 编队飞行影响因素分析

根据前期的研究结果，影响多杀伤器编队飞行的因素主要有：空中分离的工况(包括分离速度、分离高度、分离前攻角)、分离装置产生的导弹间速度和角速度偏差、为避免导弹间气动干扰需要的系统无控时间、导弹总体参数偏差(尤其是静不稳定特性和发动机推力散布)、伺服系统响应性能散布等，还有探测系统对编队距离约束和角度约束要求、目标机动对编队的影响和制导精度对编队的影响。

3 编队控制技术思考

目前研究的大气层内多杀伤器编队控制技术尚未考虑目标机动和制导精度的影响，后续进一步开展多杀伤器协同拦截单/多个目标对策模型研究、基于多模型的自适应状态估计器研究、编队目标制导精度新评定方法研究[10]、四维精确制导方法研究、信息缺失或不确定下的信息融合技术和编队技术研究等。

围绕着编队控制技术衍生出很多先进发展技术，包括传感器技术、相对导航与定位技术、多任务分配与协同控制技术[13-14]、生存能力和可靠性技术[15]等。不同体制和不同工作原理对编队的具体要求会不同。本文研究的探测设备采用激光测距和红外测角的工作方式实现对目标的定位，但是受红外成像器视场限制，对多杀伤器滚动角提出了较高要求，目前看工程实现难度很大，需要研究强干扰下快响应小姿态角控制技术和多杀伤器姿态角协调控制技术，为探测目标创造良好测量条件；同时开展研究新的目标探测工作原理，放宽对杀伤器姿态和距离约束，或者探讨多波段导引头复合工作模式。另外，伴随着主发动机可变推力技术的进一步成熟，多杀伤器编队飞行将会更容易实现。

4 结束语

展望未来，相信会有更多的飞行器利用编队控制技术，通过各自的资源相互融合，更迅速更准确感知外部环境信息，从而增强系统抵抗外界进攻的能力，在复杂环境下高效完成作战任务。

[ 1] 刘小雄，章卫国，李广文，等. 无人机自主编队飞行控制的技术问题[J]. 电光与控制，2006, 13(6):28-31. LIU Xiao-xiong, ZHANG Wei-guo, LI Guang-wen,et al. Discussion on Autonomous Formation Flight Control Technique of UAV[J]. Electronics Optics & Control, 2006, 13(6):28-31.

[ 2] 徐劼. 小卫星编队飞行关键技术及发展趋势分析[J]. 航天电子对抗，2007，23(6):24-29. XU Jie. Key Techniques of Small-Satellite Formation Flight and Its Development[J]. Aerospace Electronic Warfare,23(6):24-29.

[ 3] 张保群,宋申民，陈兴林. 考虑控制饱和的编队飞行卫星姿态协同控制[J].宇航学报，2011，32(5):1060-1069. ZHANG Bao-qun, SONG Shen-min,CHEN Xing-lin. Attitude Coordination Control of Formation Flying SateUites Under Control Saturation[J]. Journal of Astronautics, 2011, 32(5):1060-1069.

[ 4] 林涛,刘永才. 飞航导弹协同作战使用方法探讨[J]. 战术导弹技术，2005(2)：8-12. LIN Tao, LIU Yong-cai. An Investigation into the Methods of Cooperative Engagement for Aerodynamic Missile[J].Tactical Missile Technology, 2005(2)：8-12.

[ 5] 肖增博，雷虎民，腾江川,等. 多导弹协同制导规律研究现状及展望[J]. 航空兵器，2011(6):18-22. XIAO Zeng-bo, LEI Hu-min, TENG Jiang-chuan,et al. The Present Status of Prospect of Multi-Missile Cooperative Guidance Law[J]. Aero Weaponry,2011(6):18-22.

[ 6] 阎磊，吴森堂. 飞航导弹编队制导作战效能分析方法研究[J]. 现代防御技术，2008，36(5):15-20. YAN Lei, WU Seng-tang. Research on the Combat Effectiveness Analysis Method of Formation Guidance of Aerodynamic Missile[J]. Modern Defence Technology,2008, 36(5):15-20.

[ 7] 樊琼剑，杨忠，方挺,等.多无人机协同编队飞行控制的研究现状[J].航空学报，2009,30(4):683-691. FAN Qiong-jian, YANG Zhong, FANG Ting,et al.Research Status of Coordinated Formation Flight Control for Multi-UAVs[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2009, 30(4):683-691.

[ 8] 任德华，卢桂章. 对队形控制的思考[J]. 控制与决策，2005,20(6):601-606. REN De-hua, LU Gui-zhang. Thinking in Formation Control[J]. Control and Design,2005, 20(6):601-606.

[ 9] 郝博，李帆,赵建辉,等.导弹编队队形拆分重构与领弹继任控制器设计[J].弹箭与制导学报，2013,33(1):3-9. HAO Bo, LI Fan, ZHAO Jian-hui,et al. The Design of Missile Formation Split Reconstruction and Leader Missile Succession Controller[J].Journal of Projectiles，Rocket，Missiles and Guidance, 2013, 33(1):3-9.

[10] 张树征，周凤岐，姜德胜.防空导弹拦截编队目标制导精度建模研究[ J ].航天控制, 2009, 27(5):11-19. ZHANG Shu-zheng, ZHOU Feng-qi, JIANG De-sheng. Guidance Precision Modeling of Air Defense Misslie Intercepting Formation Targets[J].Aerospace Control, 2009,27(5):11-19.

[11] 韦常柱，郭继峰，赵彪. 导弹协同作战编队飞行控制系统研究[J].系统工程与电子技术，2010，32(9):1968-1972. WEI Chang-zhu, GUO Ji-feng, ZHAO Biao. Research on Flight Control System for Missiles Cooperative Engagement Formation[J]. Systems Engineering and Electronics, 2010,32(9):1968-1972.

[12] 刘新科，李大鹏，谭乐祖. 基于制导与控制一体化的导弹编队队形控制[J].火力与指挥控制，2011，36(8):208-210. LIU Xin-ke, LI Da-peng, TAN Le-zu. Research on Missile Formation Control Based on Integrated Guidance and Control[J]. Fire Control and Command Control,2011, 36(8):208-210.

[13] 朱毅，张涛，程农,等. 多UAV协同任务规划研究[J].系统仿真学报，2009，20(S1):194-199. ZHU Yi, ZHENG Tao, CHENG Long,et al.Research on Cooperative Mission Planning of Multiple UAVs[J]. Journal of System Simulation,2009,20(S1):194-199.

[14] 苏菲，陈岩，沈林成. 基于蚁群算法的无人机协同多任务分配[J].航空学报，2008,29(S1):184-191. SU Fei, CHEN Yan, SHEN Lin-cheng. UAV Cooperative Multi-Task Assignment Based on Ant Colony Algorithm[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica,2008, 29(S1):184-191.

[15] 王文亮，张效义. 反舰导弹协同作战智能化发展趋势[J].舰船电子工程，2010，30(10):1-5. WANG Wen-liang, ZHANG Xiao-yi. Development of Anti-Ship Missile′s Coordinated Campaign Intellectualized Technology[J].Ship Electronic Engineering, 2010, 30(10):1-5.

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 基金项目：有 作者简介：郑勇斌(1978-)，男，江苏丹阳人。高工，硕士，从事导弹制导控制系统技术研究。

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

E917； TJ765

A

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

编者按：“2016年先进导航、制导与控制技术研讨会”成功举行。会议得到了国内从事空天防御的军方、军工单位、科研院所、高校等的积极响应和大力支持，共征集到论文40余篇，经过专家评审选出优秀论文10余篇进行了会议交流。《现代防御技术》特开辟专栏陆续刊登此次会议的优秀论文，供读者参考。

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