导弹编队协同突防—攻击一体化队形优化设计及最优控制研究

发布时间：2020-08-19 12:45

【摘要】：面对逐渐完善的陆、海、空、天、网电综合一体化防御体系,单枚导弹的突防变得十分困难。在这种环境下,突防能力跃升为衡量导弹优劣的核心技术指标,引起了武器装备研制单位的高度重视。导弹编队协同作战因具有良好的鲁棒性和隐蔽性被认为是信息化条件下提高导弹突防能力的有效手段,同时还兼具对大型目标的毁伤能力,其研究水平直接制约着新一代导弹装备的发展。因此,如何提高信息化条件下导弹编队协同作战能力是目前急需解决的问题。本文提出导弹编队协同突防-攻击一体化概念,旨在能量消耗最省前提下提高导弹编队协同作战过程中的协同突防及目标打击能力。并围绕导弹编队的协同一体化作战,研究基于MSDE的高效协同一体化队形优化设计方法、基于改进粒子滤波的精确协同探测方法、以及可以提高编队成员固有机动能力的基于增量动态逆的直气复合控制方式,并在其基础上,基于CVP-GA和hp-RMP方法解决编队成员在不同攻击任务需求下的突防-攻击一体化最优控制问题,为信息化条件下编队协同作战效能的提升及其工程实现提供理论依据。论文的主要研究工作如下:设计兼顾协同突防与攻击能力的导弹编队队形,为后续导弹编队的协同探测、协同突防-攻击一体化提供队形参数。研究从编队队形的参数表征方法和参数的性能限制出发,并基于层次分析法、模糊三角数法、及工程经验分析队形参数对编队协同突防-攻击一体化作战效能指标的影响。为了提高队形参数优化的速度,引入模糊评价法缩减优化变量的个数及取值范围,并基于均值漂移的差分演化算法得到一种适合编队协同突防-攻击一体化的编队队形。该编队队形除满足弹间通信、编队成员的飞行限制外,还在协同探测时具有良好的跟踪精度,协同突防时具有足够的机动空间,协同攻击时能对目标造成较大的毁伤能力。为提高编队对战场态势的感知能力,研究导弹编队协同探测后对拦截弹、目标的跟踪估计问题。首先针对存在多枚拦截导弹或多个打击目标的情况,基于聚类思想,并通过改进关联顺序完成编队对多探测目标的快速数据关联,为编队对拦截导弹/目标的运动状态估计提供前提条件。目标成功关联后,采用基于改进的粒子滤波方法和加权融合算法完成对该目标的运动状态估计,为编队的协同突防-攻击提供准确的拦截弹或打击目标的运动信息。为提高编队成员的固有机动能力,将直接力系统引入编队成员,并建立编队成员的控制模型,为后续编队成员控制系统响应参数的设定提供理论依据。在现有编队成员的气动布局基础上完成直接力系统姿控发动机模型的建立,并基于增量动态逆和指令分配思想设计姿控式复合控制器,该复合控制器相对于纯气动控制器具有较快的制导指令响应时间。为保障编队成员机动突防成功后仍具有目标打击能力,基于最优控制理论研究编队成员主动反拦截机动突防制导指令的设计方法。在编队对拦截导弹和目标运动状态获得精确估计的前提下,基于作战几何优势制定编队协同突防策略,用于指导编队成员主动反拦截机动突防最优控制模型的建立,并基于控制变量参数化方法和路径约束离散化方法得到突防时机给定条件下编队成员制导指令的数值解。为实现最优突防时机及制导指令的同时求解,提出一种基于控制变量参数化的混合遗传算法(CVP-GA),用以实现编队成员的自主反拦截机动突防。为保障导弹编队在协同突防后仍可实现对目标的时间/角度协同攻击效果,开展编队协同突防-攻击一体化最优控制研究。基于编队协同突防-攻击一体化作战策略及模块化建模思想进行编队协同作战的任务分解和各阶段约束模型的建立,并通过设计阶段连续性约束模型实现对不同策略分支的适应。在其基础上,建立编队多阶段最优控制模型,并基于改进的多阶段伪谱法完成制导指令的数值求解,实现编队协同突防-攻击一体化时间最优控制。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TJ765
【图文】：

示意图,作战过程,示意图,协同攻击

第 1 章绪论评估等功能[3]。其作战过程如图 1-1 所示。苏联海军在 20 世纪 70 年代针对美航空母舰编队制订了饱和攻击战术，并经过十年的建设形成了饱和攻击作战体系。之后，为了进一步提升协同攻击的效果，又提出了领弹协同作战模式，利用其自身配置的先进设备，联合其他探测网络，构建更加完备的战场态势，为从弹提供实时修正的目标数据及攻击指令。1983 年服役的花岗岩（SS-N-19）是导弹协同攻击的早期代表，可进行远程、超声速、掠海飞行，并具有打击、指挥、通信等多用途，被誉为信息化和智能化导弹的先驱。一般采用领-从弹的高低搭配方式，领弹在高空通过自身探测装置及卫星、战术链等传输的信息融合感知目标数据，并基于弹间数据链完成目标数据到从弹的传输，以实现对目标的协同攻击效果。该编队中还配置多枚备用领弹，用以取代被拦截的领弹，提高了编队的鲁棒性。

箱型,最终目标,平均目标,测试题

第 2 章基于 MSDE 的协同突防-攻击一体化队形设计MSDE 和 DE 具有非常接近的平均目标函数值。图 2-9 中的现象表明，相对于 DE，MSDE 具有明显高效的搜索效率。总之，经过图 2-8 和 2-9 的分析表明，在求解1 12f f测试题时，MSDE 算法相对于 DE 算法具有更为良好的性能。同时也说明，基于 MS 的搜索算子的确极大地提高了 DE 算法的性能。

演化曲线,目标函数,平均值,十进制

- 30 -图 2-9 经过 25 次独立运算，MSDE 和 DE 对于1 12f f获得的最佳目标函数值的平均值的演化曲线Fig.2-9 The evolution curve of the average of objective function value using MSDE and DE after 25independent operation2.4.4 基于 MSDE 的编队队形优化算法2.4.4.1 编码演化算法中优化变量通常采用二进制或十进制两种编码形式。二进制编码在交叉、变异时操作简单，因此具有相当广泛的应用。但当变量的数值范围较大或变量个数过多时，容易造成染色体长度过大，占用大量存储空间且需要消耗较长解码时间。由于编队规模的不确定，因此，本文采取十进制方式表示编队信息。

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