RU2727777C1 - Способ наведения инерционного летательного аппарата с учетом несоответствия динамических свойств цели и перехватчика - Google Patents
Способ наведения инерционного летательного аппарата с учетом несоответствия динамических свойств цели и перехватчика Download PDFInfo
- Publication number
- RU2727777C1 RU2727777C1 RU2019124761A RU2019124761A RU2727777C1 RU 2727777 C1 RU2727777 C1 RU 2727777C1 RU 2019124761 A RU2019124761 A RU 2019124761A RU 2019124761 A RU2019124761 A RU 2019124761A RU 2727777 C1 RU2727777 C1 RU 2727777C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- target
- interceptor
- guidance
- dynamic properties
- control signal
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 25
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims abstract description 8
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims abstract description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 6
- 230000003321 amplification Effects 0.000 abstract 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 abstract 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000013598 vector Substances 0.000 description 11
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 7
- 230000008859 change Effects 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 3
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000010206 sensitivity analysis Methods 0.000 description 1
- 230000008685 targeting Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
- B64C13/00—Control systems or transmitting systems for actuating flying-control surfaces, lift-increasing flaps, air brakes, or spoilers
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F41—WEAPONS
- F41G—WEAPON SIGHTS; AIMING
- F41G7/00—Direction control systems for self-propelled missiles
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F41—WEAPONS
- F41G—WEAPON SIGHTS; AIMING
- F41G9/00—Systems for controlling missiles or projectiles, not provided for elsewhere
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
- G05D1/00—Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Abstract
Изобретение относится к системам управления, в частности к сложным системам, включающим совместно функционирующие подсистемы с различными динамическими свойствами. Предлагаемый метод наведения позволяет скомпенсировать несоответствие динамических свойств перехватчика и цели в процессе наведения без решения сложной двухточечной краевой задачи. При этом сигнал управления формируется по закону:где j- требуемое поперечное ускорение перехватчика;- оптимальные оценки курсов и угловых скоростей перехватчика и цели;и- оценки дальности до цели и ее первой производной; Т - постоянная времени перехватчика, характеризующая его инерционность; b - коэффициент усиления сигнала управления; q- коэффициент штрафов за точность наведения системы по углу; q- коэффициент штрафов за точность наведения системы по угловой скорости; g- коэффициент учета взаимодействия ошибок наведения и маневра цели; k - коэффициент штрафов за величину сигнала управления. В отличие от прототипа предлагаемый метод имеет третье нестационарное слагаемое, учитывающее несоответствие динамических свойств цели и перехватчика. Использование изобретения позволит обеспечить перехват быстродвижущихся целей в широком диапазоне их скоростей и курсов; экономию затрат энергии на управление на начальных участках наведения и повышение его точность на конечном участке. 8 ил.
Description
Изобретение относится к системам автоматического управления летательными аппаратами (ЛА), в частности к системам наведения на воздушные цели (ВЦ), включающим совместно функционирующие подсистемы с различными динамическими свойствами.
Процесс перехвата ВЦ является результатом взаимодействия различных подсистем, составляющих единую последовательную информационно-управляющую цепь, началом которой является цель, а конечным звеном - боевая часть средства поражения. Следует отметить, что каждая из этих подсистем обладает различной динамичностью [1], характеризующей ее способность реагировать на изменение входных воздействий. От того, в какой степени согласованы динамические свойства подсистем в процессе совместного функционирования, во многом зависит совершенство системы наведения в целом.
В общем случае требуемые динамические свойства подсистем перехватчика определяются его методом наведения и могут быть определены на основе его анализа на чувствительность [2] к изменению условий функционирования, определяемых динамическими свойствами цели.
В связи с этим весьма актуальной является задача разработки метода наведения, автоматически, учитывающего несоответствие динамических свойств перехватчика и цели. Один из способов решения этой задачи основан на представлении этого несоответствия в виде измеряемого возмущения [3].
Из известных технических решений наиболее близким является способ, выбранный в качестве прототипа и изложенный в [4]. В данном алгоритме сигнал управления учитывает ошибки по углу и угловой скорости в соответствии с формулой:
где
jп - поперечное ускорение перехватчика;
Недостатками прототипа являются:
1) недостаточный учет в прототипе несоответствия динамических свойств цели и перехватчика;
2) низкая устойчивость сопровождения при появлении в законах изменения сопровождаемых координат производных третьего и более высоких порядков.
Эти недостатки обусловлены тем, что в данном алгоритме не учитывается угловая скорость линии визирования. Их влияние можно уменьшить, если управлять динамичностью перехватчика с целью приближения ее к динамичности ЛА. Для этого необходимо использовать закон управления радиолокационной системой, на стадии синтеза которого будут скомпенсированы инерционные свойства системы. Этого можно достичь учетом угловой скорости линии визирования, дальности до цели и скорости ее изменения.
Технический результат, который может быть получен от использования предлагаемого изобретения, заключается в обеспечении высокой точности перехвата при наведении ЛА.
Заявленный технический результат достигается за счет использования предлагаемого способа для управления по поперечному ускорению, определяемому взвешенной суммой ошибок наведения, дополненной слагаемым, учитывающим угловую скорость линии визирования цели, дальность и скорость сближения с ней, наводимого на цель ЛА.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в использовании простого и экономичного в вычислительном отношении метода синтеза управления на основе локальной оптимизации [2], не требующего решения сложной двухточечной краевой задачи [5], для получения способа формирования сигнала управления, при котором для системы
при наличии измерений
сформировать сигнал управления
оптимальный по минимуму функционала
В (2)-(5)
х - n-мерный вектор состояния;
F - динамическая матрица внутренних связей координат вектора х;
u - вектор сигналов управления;
В - матрица эффективности r-мерного (r≤n) вектора u управления;
t - текущее время;
s - вектор измеряемых возмущений, изменяющихся по произвольному закону;
z - вектор измерений;
Н - матрица связей z и х;
ξх и ξи - векторы центрированных гауссовских шумов состояния и измерений;
Q1 - матрица «штрафов» за точность функционирования системы;
G1 - матрица, учитывающая взаимосвязи х и s;
К - матрица штрафов за величину сигналов управления.
Для упрощения записей будет опущена зависимость векторов от времени.
Для системы (2), в состав которой входит подсистема
формирующая входные воздействия для подсистемы
при наличии измерений (3) необходимо получить сигнал управления u, обеспечивающий отработку процесса (6) при условии несоответствия динамических свойств этих подсистем FУ≠FT.
Задача будет решаться в рамках линейно-квадратично-гауссовских представлений, для которых на основе теоремы разделения [5] задача управления может решаться независимо от задачи оптимального оценивания. При этом задача синтеза управления может решаться в детерминированной постановке (ξх=0 и ξи=0) при условии, что в полученном законе управления координаты состояния будут заменены их оптимальными оценками.
В общем случае несоответствие динамических свойств можно выразить вектором Δх=хТ-хУ, возникающих за счет этого ошибок, изменения которого во времени можно найти посредством решения уравнения
Подставляя (6) и (7) в (8), получим
Если динамические свойства подсистемы (7) соответствуют требуемым значениям (FУ=FT), то ошибка управления будет убывать вплоть до нуля со скоростью, определяемой ее динамическими свойствами (FУ), даже при отсутствии управления. В случае несоответствия динамических свойств (FУ≠FT) в соотношении (9) появляется вынужденная составляющая, зависящая от характера изменения хТ и воздействующего управления u. Отсюда следует, что выбором сигнала управления можно скомпенсировать несоответствие динамических свойств системы (7) и внешнего воздействия (6).
Управляющий сигнал, минимизирующий ошибку управления (9), при FУ≠FT, Δх=у и уТ=0 может быть получен из уравнения
где sУ=(FT-FУ)xT - измеряемое возмущение.
Тогда сигнал управления, минимизирующий (5) на основе (2)-(4) и (6)- (7), определяется соотношением (4):
при получении которого было учтено, что
В соответствии с выводами условия статистической эквивалентности координаты стояния хТ и хУ были заменены их оценками.
При оценке возможности компенсации несоответствия динамических свойств подсистем (6) и (7) на основе закона формирования управления (10) на примере наведения в горизонтальной плоскости перехватчика на интенсивно маневрирующий ЛА в качестве модели состояния перехватчика использовалось типовое уравнение, включающее инерционное и интегрирующее звенья [4]:
а в качестве модели движения цели - кинематические уравнения [4]:
В (11) и (12)
Т - постоянная времени перехватчика;
b - коэффициент его усиления;
перпендикуляр к линии визирования;
ξп и ξц - центрированные гауссовские шумы состояния.
Взаимное геометрическое расположение цели и перехватчика показано на фигуре 1, на которой в декартовой неподвижной наземной системе координат XOZ точками Оп и Оц показано расположение перехватчика и цели, Vп соответствует продольной скорости наводимого ЛА, a Vц -продольной скорости цели.
Из (11) и (12) ошибки сопровождения по углу и угловой скорости могут быть представлены в виде
При появлении в (12) третьей и более высоких производных ϕц в (11) появляются нарастающие ошибки наведения (13), приводящие, в конечном счете, к срыву этого процесса.
С учетом (6), (7) из (11)-(13) векторы состояния и динамические матрицы связей системы принимают вид
В свою очередь, несоответствие динамических свойств перехватчика и цели определяется матрицей
Из (15) следует, что для устранения несоответствия динамических свойств цели и перехватчика необходимо выполнение условия
Однако при Т=const обеспечить это условие невозможно, поскольку меняются в процессе наведения. В связи с этим целесообразно использовать расчет сигнала управления перехватчиком по правилу (10) при условии, что матрицы К, Q, G записаны в общем виде:
Подставляя (14)-(16) в (10), с учетом выводов теоремы разделения получим
Анализ (17) позволяет сделать следующие выводы.
1. Полученный закон отличается от прототипа (1) учетом наравне с ошибками по углу и угловой скорости еще и несоответствия динамичности цели и перехватчика.
2. В состав оптимизируемой системы управления должны входить оптимальные фильтры, формирующие оптимальные оценки и регулятор, вычисляющий сигнал управления (17).
3. Разработанный способ наведения не накладывает принципиальных ограничений на возможность его реализации ни по требуемой вычислительной производительности, ни по возможности его информационного обеспечения.
На фигуре 2 представлен вариант структурной схемы системы сопровождения цели с использованием предлагаемого способа учета несоответствия динамических свойств подсистем, где
1 - измерители, формирующие наблюдения z;
2 - фильтр, принимающий на вход сигналы наблюдений и формирующий оценки курса ЛА и его первой производной оценки абсолютного углового положения цели и его первой производной дальности до цели и ее первой производной
7 - перехватчик;
8 - цель.
Исследование полученного алгоритма проводилось в процессе имитационного моделирования пространственных эволюций цели, сопровождение которой в угломерном канале РЛС задается системой
и алгоритма формирования закона (17) управления перехватчиком (11).
Необходимо подчеркнуть, что манипулируя в (18) начальными значениями можно реализовать самые разнообразные законы изменения ϕц.
В качестве показателей эффективности использовались текущие промахи, поперечные ускорения и время наведения. Необходимо отметить, что для проверки устойчивости наведения модель входных воздействий (18) специально была выбрана несоответствующей модели (12).
Исследования эффективности проводились в два этапа.
1. На первом этапе исследовалась эффективность перехвата гипотетической маневрирующей цели, бортовой пеленг которой изменяется по квазисинусоидальному закону, предопределяющему быструю смену знака производных. Способ (17) сравнивался с прототипом (1).
2. На втором этапе исследовалось влияние инерционности перехватчика на эффективность наведения.
Результаты исследований первого этапа, на котором оценивались возможности (17) и (1) при наведении на цель, движущуюся по сложной квазисинусоидальной траектории при встречных курсах перехвата, иллюстрируются фигурами 3, 4 и 5, на которых представлены траектории перехвата, текущие промахи и поперечные ускорения перехватчика соответственно.
Из фигур видно, что закон управления (17), учитывающий несоответствие динамических свойств перехватчика и цели, обеспечивает существенно лучшую точность и меньшее время наведения. Однако преимущества (17) по сравнению с (1) проявляются лишь на конечном участке наведения. Поскольку метод показал свою эффективность в самых сложных условия для наведения, можно судить о его применимости и в более простых условиях.
Результаты второго этапа, на котором исследовалось влияние инерционности перехватчика на показатели эффективности на примере перехвата цели, движущейся по квазисинусоидальной траектории на встречных курсах, проиллюстрированы на фигурах 6, 7 и 8, на которых представлены траектории перехвата, текущие промахи и поперечные ускорения перехватчика соответственно.
Из фигур видно, что метод обеспечивает практически одинаковые показатели точности при всех значениях постоянной времени перехватчика, однако энергетические затраты и время наведения увеличиваются с ростом постоянной времени наводимого ЛА, т.е. метод применим и для перехватчиков обладающих большой инерционностью.
Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы.
Предложенный метод наведения обеспечивает устойчивый всеракурсный перехват интенсивно маневрирующих целей в более широком поле условий применения, нежели прототип, включая цели, движущиеся по квазисинусоидальной траектории.
Предложенный метод перехвата, учитывающий несоответствие динамических свойств цели и перехватчика позволяет улучшить точность наведения на конечном участке траектории.
Метод применим для обширного класса наводимых ЛА, т.к. сохраняет свою работоспособность в большом диапазоне значений постоянной времени перехватчика.
Список использованных источников
1. Меркулов В.И. Динамичность авиационных комплексов и бортовые радиоэлектронные системы. // Радиотехника. 2010. №1.
2. Авиационные системы радиоуправления: учебник для военных и гражданских ВУЗов. / Под ред. В.И.Меркулова - М.: Изд. ВВИА им. проф. Н.Е.Жуковского, 2008.
3. Меркулов В.И. Учет измеряемых возмущений при локальной оптимизации систем управления. // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2016. №2.
4. Авиационные системы радиоуправления. Т. 2. Радиоэлектронные системы самонаведения. / Под ред. А.И. Канащенкова и В.И. Меркулова - М.: Радиотехника, 2003.
5. Ройтенберг Я.Н. Автоматическое управление - М.: Наука, 1992.
Claims (14)
- Способ наведения инерционного летательного аппарата (ЛА) с учетом несоответствия динамических свойств цели и перехватчика, заключающийся в том, что на наводимом ЛА в фильтре угломерного канала формируют оптимальные оценки своего курса и его первой производной по времени курса цели и его первой производной по времени а в фильтре дальномерного канала - оптимальную оценку дальности до цели после чего на основе сформированных оценок по закону
- формируют сигнал управления требуемым поперечным ускорением jп перехватчика, где
- Т - постоянная времени перехватчика, характеризующая его инерционность;
- b - коэффициент усиления сигнала управления;
- q21 - коэффициент штрафов за точность наведения системы по углу;
- q22 - коэффициент штрафов за точность наведения системы по угловой скорости;
- k - коэффициент штрафов за величину сигнала управления, отличающийся тем, что в фильтре дальномерного канала дополнительно формируют оптимальную оценку первой производной по времени дальности до цели, после чего модифицированный сигнал управления формируют на основе сформированного значения jп по правилу
- где
- g22 - коэффициент учета взаимодействия ошибок наведения и маневра цели,
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019124761A RU2727777C1 (ru) | 2019-08-05 | 2019-08-05 | Способ наведения инерционного летательного аппарата с учетом несоответствия динамических свойств цели и перехватчика |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019124761A RU2727777C1 (ru) | 2019-08-05 | 2019-08-05 | Способ наведения инерционного летательного аппарата с учетом несоответствия динамических свойств цели и перехватчика |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2727777C1 true RU2727777C1 (ru) | 2020-07-23 |
Family
ID=71741287
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019124761A RU2727777C1 (ru) | 2019-08-05 | 2019-08-05 | Способ наведения инерционного летательного аппарата с учетом несоответствия динамических свойств цели и перехватчика |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2727777C1 (ru) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2146804C1 (ru) * | 1998-11-05 | 2000-03-20 | Открытое акционерное общество "Раменское приборостроительное конструкторское бюро" | Прицельно-навигационный комплекс |
DE69913490D1 (de) * | 1998-01-28 | 2004-01-22 | Saab Ab Linkoeping | Verfahren und system zum lenken eines flugkörpers |
RU2254542C1 (ru) * | 2004-03-04 | 2005-06-20 | Открытое акционерное общество "Корпорация "Фазотрон-Научно-исследовательский институт радиостроения" | Способ наведения летательного аппарата на интенсивно маневрирующую воздушную цель |
RU2418267C1 (ru) * | 2010-02-18 | 2011-05-10 | Открытое акционерное общество "Концерн радиостроения "Вега" | Информационно-вычислительная система беспилотного самолета-истребителя |
RU2539825C1 (ru) * | 2013-11-06 | 2015-01-27 | Василий Васильевич Ефанов | Система наведения управляемых ракет |
-
2019
- 2019-08-05 RU RU2019124761A patent/RU2727777C1/ru active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE69913490D1 (de) * | 1998-01-28 | 2004-01-22 | Saab Ab Linkoeping | Verfahren und system zum lenken eines flugkörpers |
RU2146804C1 (ru) * | 1998-11-05 | 2000-03-20 | Открытое акционерное общество "Раменское приборостроительное конструкторское бюро" | Прицельно-навигационный комплекс |
RU2254542C1 (ru) * | 2004-03-04 | 2005-06-20 | Открытое акционерное общество "Корпорация "Фазотрон-Научно-исследовательский институт радиостроения" | Способ наведения летательного аппарата на интенсивно маневрирующую воздушную цель |
RU2418267C1 (ru) * | 2010-02-18 | 2011-05-10 | Открытое акционерное общество "Концерн радиостроения "Вега" | Информационно-вычислительная система беспилотного самолета-истребителя |
RU2539825C1 (ru) * | 2013-11-06 | 2015-01-27 | Василий Васильевич Ефанов | Система наведения управляемых ракет |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2666069C1 (ru) | Способ перехвата интенсивно маневрирующих высокоскоростных воздушно-космических объектов | |
RU2727777C1 (ru) | Способ наведения инерционного летательного аппарата с учетом несоответствия динамических свойств цели и перехватчика | |
Wang et al. | Cooperative interception with fast multiple model adaptive estimation | |
RU2728197C1 (ru) | Способ управления группой беспилотных летательных аппаратов с учетом степени опасности окружающих объектов | |
US20050242242A1 (en) | Methods and systems for guiding an object to a target using an improved guidance law | |
CN116719239A (zh) | 一种迹向欠驱动卫星不完全信息追逃博弈控制方法 | |
RU2498342C1 (ru) | Способ перехвата воздушных целей летательными аппаратами | |
Moran et al. | Three plane approach for 3D true proportional navigation | |
RU2418267C1 (ru) | Информационно-вычислительная система беспилотного самолета-истребителя | |
Wu et al. | Three-dimensional cooperative mid-course guidance law against the maneuvering target | |
Huang et al. | Radar tracking for hypersonic glide vehicle based on aerodynamic model | |
Oshman et al. | Enhanced air-to-air missile tracking using target orientation observations | |
You et al. | Air combat command and guidance situation assessment based on attack area | |
RU2254542C1 (ru) | Способ наведения летательного аппарата на интенсивно маневрирующую воздушную цель | |
Fonod et al. | Estimation enhancement by imposing a relative intercept angle for defending missiles | |
Haoyu et al. | Simulation and effectiveness analysis on one versus one beyond visual range air combat | |
CN114771877B (zh) | 一种考虑导航误差的最优拦截制导方法 | |
RU2170907C1 (ru) | Способ прицеливания при атаке скоростных целей истребителем по спрямленной траектории и устройство для его реализации | |
Lei et al. | Tracking for near space nonballistic target based on several filter algorithms | |
RU2751378C1 (ru) | Способ наведения на высокоскоростные высокоманевренные воздушные объекты | |
Moorman et al. | Empirical evidence of bias in extended Kalman filters used for passive target tracking | |
JP2000346594A (ja) | 飛翔体の誘導方法 | |
Guo et al. | Maneuver strategy of evader considering detection system | |
Quancheng et al. | Influence of the seeker blind range guidance policy on guidance precision | |
Hodžić et al. | LOS rate estimation techniques for proportional navigation guided missiles |