突防彈最優機動頻率的選擇問題研究

潘樂飛，劉新學，王順宏

(第二炮兵工程大學，西安　710025)

突防彈最優機動頻率的選擇問題研究

潘樂飛，劉新學，王順宏

(第二炮兵工程大學，西安710025)

摘要：為提高彈道導彈的生存概率，研究了突防彈的機動頻率與攔截彈脫靶量之間的解析關系；基于比例導引的線性化模型，通過引入頻域分析方法，分析了攔截彈脫靶量峰值與突防彈機動頻率間的關系，獲得了脫靶量峰值與目標彈機動頻率之間的解析公式；通過仿真分析，驗證了解析公式的合理性，具有一定的工程應用價值。

關鍵詞：機動頻率；脫靶量；比例導引；頻域分析

彈道機動可以大大提高導彈的生存概率。合理的機動頻率與機動幅值，會提前消耗攔截彈機動所需的有限燃料，若能在遭遇前使攔截彈燃料耗盡，則可達到機動突防的目的。目前研究最優突防與攔截的對抗問題時大都采用最優控制理論與博弈理論[1,2]。這兩種方法均需要獲取突防彈與攔截彈完備的飛行參數，但目前由于各種條件的限制我們無法獲取攻防雙方的完整信息，故上述理論暫不具備工程應用的條件。

對突防彈來說，盡管無法預知攔截彈的發射時間及遭遇時刻，但在某些條件下可事先獲得攔截彈的導彈類型及相應的制導方案。因此，可以利用有限的攔截彈信息，研究突防彈機動頻率及機動幅值對攔截彈脫靶量的影響。

本文假定已知攔截彈的制導方案及制導系統動力學參數(如攔截彈的有效導航比、制導系統時間常數、自然頻率、阻尼系數等)，試圖尋找攔截彈脫靶量與突防彈機動頻率間的函數關系。

1比例導引線性化模型

攔截彈末制導系統的線性化模型[3]如圖1所示。

圖1　比例導引線性化模型

(1)

其中，對于有尾翼控制的導彈，有

(2)

對于非尾翼控制導彈a(s)是一階多項式；ωM為自然頻率；ζ為阻尼系數；ωz為彈體零頻。

2脫靶量峰值計算

在復數域，tf時刻的脫靶量公式[4]為

(3)

式(3)中，YT(s)為目標彈垂向位置YT(t)的拉普拉斯變換；Y(tf,s) 為y(tf)的拉普拉斯變換；H(s)=G(s)/s，其中

(4)

式(4)中，r1、r2、r3為常值系數。

若目標機動方式為正弦形式(nT=1gsinωT)，則由于目標機動頻率ω產生的脫靶量穩態分量為

(5)

其中，P(tf,iω)為tf時刻由于目標機動頻率ω產生的脫靶量。

(6)

其中，系數A、B1、B2、C和D可以計算如下

A=1

對于τ2=0，有

對第4項進行積分，得

(7)

由于僅考慮目標機動頻率對脫靶量的影響，故將s=iω代入式(7)，得

(8)

在式(7)、式(8)中，arctan表示對復變量的反正切，tan-1表示在含有復數的對數函數中的實數部分進行的反正切。

僅考慮上式的實數部分，代入積分公式，解得

(9)

其中，

(10)

根據上面得到的脫靶量幅值特性函數式(9)、式(10)可知，當目標機動頻率ω變化時，脫靶量幅值必然存在極值。

3仿真分析

令導航系數N=4，ωM=20 rad/s，ωz=5 rad/s，τ=0.5 s，ζ=0.7。根據式(9)、式(10)可得仿真結果如圖2所示。脫靶量峰值大概發生在ω=1.7 rad/s處，且隨著目標機動頻率的增加，脫靶量峰值又逐漸減小。分析可知，當機動頻率ω逼近零時，其效果類似于階躍機動，故脫靶量峰值也逼近為零；而當機動頻率ω過大時，會使其有效機動幅值減小，故脫靶量峰值反而又趨向于零。

圖2　脫靶量峰值與目標彈機動頻率的關系曲線

令ω=1.4 rad/s，目標機動加速度為nT=1gsinω，根據圖1線性化模型進行仿真，可得攔截彈的脫靶量與剩余飛行時間的關系曲線(圖3)。由于目標彈作正弦機動的緣故，攔截彈脫靶量峰值隨飛行時間也呈正弦變化規律，其最大值在6.7左右，與圖2 的仿真結果接近，即驗證了式(9)、式(10)的計算結果。

圖3　脫靶量峰值與待飛時間關系曲線

由于對脫靶量峰值起決定作用的因素為目標機動頻率ω及攔截彈時間常數τ，且有擬合公式[3]：

因此，固定N=4，ωM=20rad/s，ωz=5rad/s，ζ=0.7時，令攔截彈時間常數τ由0.2逐漸增加至1.0，可得脫靶量峰值及對應最優機動頻率的數據(表1)。由仿真數據可知，隨著時間常數τ的遞增，脫靶量峰值逐漸減小，最優機動頻率ω逐漸減小。

表1　時間常數τ與脫靶量峰值及機動頻率ω的關系

4結論

本文研究了目標作正弦機動的頻率與攔截彈脫靶量峰值的關系。理論公式和仿真結果表明：選擇合理的目標機動頻率能夠使攔截彈產生穩態脫靶量。在實際的攻防對抗中，由于無法精確獲得攔截彈的制導系統參數，因此需要進一步探討如何在實戰中合理使用本文的理論公式。

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(責任編輯楊繼森)

收稿日期：2015-02-14

作者簡介：潘樂飛(1979—)，男，博士研究生，講師，主要從事飛行動力學與制導研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.07.023

中圖分類號：V448

文獻標識碼：A

文章編號：1006-0707(2015)07-0090-03

本文引用格式：潘樂飛，劉新學，王順宏.突防彈最優機動頻率的選擇問題研究[J].四川兵工學報，2015(7):90-92.

Citation format:PAN Le-fei, LIU Xin-xue, WANG Shun-hong.Optimal Frequency of Weaving Maneuver Penetration[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(7):90-92.

Optimal Frequency of Weaving Maneuver Penetration

PAN Le-fei, LIU Xin-xue, WANG Shun-hong

(The Second Artillery Engineering University, Xi’an 710025, China)

Abstract:To improve the penetration probability of ballistic missiles, the analytic relationship between the weaving penetration frequency and the interceptor miss distance was studied. Based on the linear model of proportional navigation, introducing the Laplace transition method in the complex domain, the relationship and analytic formula between the max miss distance and weaving frequency were obtained. The simulation results show the rationality and certain engineering application value of the analytical formula.

Key words:weaving frequency; miss distance; proportional navigation; complex domain analysis

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【信息科學與控制工程】