本发明涉及一种亚轨道蜂群飞行器的分层式协同控制方法。
背景技术：
编队飞行控制技术是实现多弹协同作战的技术基础。编队飞行控制包括队形保持和队形变换。导弹的协同作战要求从不同的载机、不同的发射阵地以及不同的发射时刻发射的各波次导弹能够在预定的时间、地点进行集结，构成利于协同作战的编队。导弹按时间要求到达集结点后，本身就构成了一个初步的范队形；但为了构成稳定的预置队形，需要获知从弹与领弹、从弹与从弹之间的精确相对位置，进而对编队队形进行保持和调整。为了简化从弹的配置而降低作战成本，可能不需要给每枚导弹配置完善的导航定位系统，从弹只需通过相对导航、定位系统获知自己相对于领弹的位置，就可以满足控制系统的输入要求进而避免丢失和碰撞。编队控制是为了能够使队形保持和变换，当导弹需要规避防空阵地或者拦截武器时，弹群不可避免的要做一些机动动作，如转弯、爬升、俯冲或分散，由于导弹的协同作战要求导弹即使在机动过程中也能够尽量的保持队形，保证从弹和领弹的相对位置，因此，编队飞行控制技术成为了协同作战得以实现的技术基础。
目前编队飞行控制研究已经遍及歼击机、无人机、卫星等领域。飞行器编队飞行研究的热门主要集中在航天器、飞机等方面，比较有代表性的是关于卫星编队飞行控制的研究以及无人机编队飞行控制研究。
航天器编队飞行是20世纪90年代后期随着计算机技术、新材料、新能源技术的发展而出现的一种新的航天器空间运行模式。在有心力场中多颗轨道周期相同的航天器近距离飞行，彼此之间可形成特定的相对运动轨道，航天器之间互相协同，密切联系，以分布方式构成一颗大的“虚拟卫星”(或称“分布式卫星系统”，“分布式航天器系统”)，从而产生系统理论中所谓的“涌现”现象，性能上远远超过传统的单航天器系统。航天器编队飞行凭借巨大的技术优势、广阔的应用前景，从诞生之初就获得了世界各航天大国的青睐，被称为代表未来航天发展趋势的技术，成为当今一大热点研究领域。
航天器编队飞行应用优势主要体现在如下几个方面：
提升应用系统整体性能
编队飞行使单航天器不易实现的空间探测任务变得简单，可以极大地增加干涉测量的雷达孔径，可以在较大的离散空间同时对任务目标进行观测，这对于对地观测而言是非常重要的。
提高应用系统可靠性
编队飞行系统一般由许多航天器组成，在系统设计阶段考虑冗余度可以使系统在遭受破坏时更具鲁棒性。如果系统中有一颗航天器损坏，只会有与之相关的链路受影响，而整个系统不会消亡。可以及时地将损坏的个体清除出系统，通过重构或者是补充新航天器即可使系统复原。
增强系统适应性
航天器编队构形大小与编队中航天器数目甚至航天器所携带的载荷都可以根据任务要求而进行变化，在原航天器基础上只要作适当调整就可以使航天器编队系统具有新功能或更高性能，从而以较短周期、较低成本和较高可靠性来完成新旧任务更替。
降低单生命周期成本消耗
编队飞行采用多航天器来完成任务，这必将促使航天器的设计制造采用标准化工艺流程，单航天器成本自然就可以降低，从而使整个系统成本降低。随着航天器模块化技术与天基平台理论的发展，执行任务次数的增加及生命周期的相对延长，可使单生命周期内航天器编队的成本得到很大地降低。
编队飞行研究的另一个主要方面就是无人机的编队飞行控制。在现代无人战斗机发展中，除了要求无人战斗机具有大机动、高敏捷性外，还要求无人战斗机具有多机协同飞行和作战的能力，那么首先就必须要研究无人机的编队飞行。所谓无人机编队飞行就是两架以上无人机按一定队形飞行，各机之间必须保持规定的距离和高度差，带队的那架飞机称为长机(leader)，而其余的称为僚机(follower)。之所以要研究多无人机的编队飞行，因为多无人机编队飞行与单机相比，存在以下的优点：
单架无人机如果在执行任务途中出现故障或者战损，则无法继续执行任务，可能贻误了宝贵的战机。但是对于多架无人机则可由余下的无人机继续完成任务。
单架无人机执行任务的效率有限。例如执行侦察或战损评估的任务时，单架无人机的视野有限，容易遗漏目标，同时也无法得到目标区域的全部信息，多架无人机编队飞行执行任务则可以满足要求。
对于目前发展很快的攻击型、战斗型无人机(UCAV)，单架无人机无法形成集群优势，攻击的命中率有限，而多架无人机同时从不同方位攻击，可以显著提高打击效果和成功率。
从气动效率和结构强度方面考虑，编队飞行可以减小整体上的飞行阻力。对近距离编队飞行来说可以获得相当于大展弦比飞机的气动性能，同时不至于减小飞机所具有的强度，也不会增加飞机的重量，即可实现重量轻、展弦比大、气动性能好、结构强度高等优点。
在对无人机编队飞行的研究中可以看出，编队飞行还可以提高无人机的整体效率。对多架飞机采用一定的编队飞行，在执行任务时的成功率和抗突发事件的能力都比单架飞机飞行(简称单飞)高。例如，在某次任务的执行过程中，有一架飞机出现故障不能继续，那么它可以返回进行维修，而其余飞机仍旧按照原来的计划保持编队飞行，使任务得以圆满完成；可以提高命中率，对战斗机而言，多架飞机的编队飞行可以同时从不同角度对同一目标进行全方位攻击，扩大命中范围，提高杀伤力和命中率，也可以同时对多个敌方目标实施攻击，扰乱敌防空体系，提高战斗的时效性。
亚轨道蜂群飞行器进入集结区之后，将会形成协同编队，根据不同作战要求，将对亚轨道蜂群飞行器编队进行协同控制，即需要对亚轨道蜂群飞行器编队的队形保持控制，多枚飞行器组成一定的队形，具有以下优点：
(1)提高飞行器的突防能力；
(2)提高飞行器的电子对抗能力；
(3)提高飞行器对运动目标的搜索能力和跟踪精度；
(4)减少飞行器的发射数量；
(5)提高飞行器的综合作战效能。
队形控制问题属亚轨道蜂群飞行器系统相对维度上的几何问题，是指在飞行过程中，亚轨道蜂群飞行器群建立并保持预先决定的几何形态(即队形保持)，同时又要适应环境约束的控制技术。
编队的飞行器因任务要求往往要保持其在队列中的相对位置基本不变。一般的保持策略是编队中的每枚飞行器保持与队列中约定点的相对位置不变，而当这个约定点是蜂王飞行器的时候，这个保持策略就称为跟随保持。在队形保持过程中，可能会因一些干扰因素产生扰动，防止冲突策略就是要避免在扰动下可能发生的碰撞和信息交互的阻塞。
传统的编队策略一般为单Leader集中式队形，集中式控制策略中交互信息的数据量和控制算法复杂程度，容易产生冲突，加大了弹载计算机的性能压力，计算效率相对不高。
技术实现要素：
本发明目的是为了解决现有集中式队形控制策略交互信息的数据量和控制算法复杂程度、容易产生冲突、弹载计算机的性能压力大、计算效率相对不高的问题，提供了一种亚轨道蜂群飞行器分层式协同控制方法。
本发明所述亚轨道蜂群飞行器分层式协同控制方法，该控制方法采用Leader-Follower的队形控制方法，飞行器群中的所有的工蜂飞行器都以蜂王飞行器为基准，将相对坐标系的中心固定在蜂王飞行器上，飞行器群中的所有工蜂飞行器以蜂王飞行器在相对坐标系中的坐标为控制基准，当各工蜂飞行器在要求的位置附近稳定后就形成了编队所需要的队形；所有的工蜂飞行器只与蜂王飞行器进行信息交互，接受蜂王飞行器的控制；
大量飞行器组成大编队控制方法采用分层式队形控制方法，具体为单Leader分层式Leader-Follower的队形控制方法，在飞行器群中设置多个副蜂王飞行器，每个副蜂王飞行器均领导一个小飞行器群的工蜂飞行器，总蜂王飞行器只与副蜂王飞行器进行信息交互，每个副蜂王飞行器与所在小飞行器群中的工蜂飞行器进行信息交互。
本发明的优点：本发明所述的亚轨道蜂群飞行器分层式协同控制方法降低了传统集中式控制策略中交互信息的数据量和控制算法复杂程度，不易产生冲突，减轻了弹载计算机的性能压力，计算效率提高，同时结构简单并继承了集中式策略的控制精度。
附图说明
图1是本发明所述单Leader分层式Leader-Follower的队形控制方法的原理图；
图2是单发导弹携带亚轨道蜂群飞行器的编队队形；
图3是多发导弹携带亚轨道蜂群飞行器的分层编队队形；
图4是飞行器在相对坐标系示意图；
图5和图6是两枚飞行器在惯性坐标系和相对坐标系的相对位置关系示意图；
图7是蜂王飞行器与工蜂飞行器的弹道曲线仿真图；
图8是工蜂飞行器1与蜂王飞行器在相对坐标系三个方向的间距仿真图；
图9是工蜂飞行器2与蜂王飞行器在相对坐标系三个方向的间距仿真图；
图10是工蜂飞行器3与蜂王飞行器在相对坐标系三个方向的间距仿真图；
图11是蜂王飞行器与工蜂飞行器的速度曲线仿真图；
图12是单Leader两层队形飞行器编队弹道曲线仿真图，其中a表示总蜂王仿真曲线，b表示副蜂王1仿真曲线，c表示副蜂王2仿真曲线，d表示工蜂1仿真曲线，e表示工蜂2仿真曲线。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述亚轨道蜂群飞行器分层式协同控制方法，该控制方法采用Leader-Follower的队形控制方法，飞行器群中的所有的工蜂飞行器都以蜂王飞行器为基准，将相对坐标系的中心固定在蜂王飞行器上，飞行器群中的所有工蜂飞行器以蜂王飞行器在相对坐标系中的坐标为控制基准，当各工蜂飞行器在要求的位置附近稳定后就形成了编队所需要的队形；所有的工蜂飞行器只与蜂王飞行器进行信息交互，接受蜂王飞行器的控制；
大量飞行器组成大编队控制方法采用分层式队形控制方法，具体为单Leader分层式Leader-Follower的队形控制方法，在飞行器群中设置多个副蜂王飞行器，每个副蜂王飞行器均领导一个小飞行器群的工蜂飞行器，总蜂王飞行器只与副蜂王飞行器进行信息交互，每个副蜂王飞行器与所在小飞行器群中的工蜂飞行器进行信息交互。
本实施方式中，Leader-Follower即领航者-跟随者的模式。
本实施方式中，飞行器群要保持一定的队形，飞行器与飞行器之间必须有信息的交互，按照信息交互的方式划分，采用分层式Leader-Followe的队形控制方法。
本实施方式中，工蜂飞行器之间不相互传递信息甚至不测量相对位置，与单纯的集中式控制方式相比这种编队方式属于单点集中的控制方式。
本实施方式中，在大集群编队时，蜂王飞行器要考虑每个工蜂飞行器的位置，安排任务需要进行长时间的计算和规划，为此在飞行器群中可以安排多个副蜂王飞行器，副蜂王飞行器再领导一小群的工蜂飞行器，这样总蜂王飞行器只需负责几枚副蜂王飞行器即可，避免了大集群编队在队形变换过程中可能发生的混乱。
本实施方式中，这种编队方式降低了传统集中式控制策略中交互信息的数据量和控制算法复杂程度，不易产生冲突，减轻了弹载计算机的性能压力，计算效率提高，同时结构简单并继承了集中式策略的控制精度。
具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，蜂王飞行器的工作过程为：
蜂王飞行器获取绝对位置信息，并与战场指挥系统进行通讯，蜂王飞行器对编队、飞行、分配攻击任务进行统一管理。
具体实施方式三：本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，工蜂飞行器的工作过程为：
工蜂飞行器配备相对位置测量装置，相对位置测量装置测量工蜂飞行器相对于蜂王飞行器或副蜂王飞行器的位置，并从蜂王飞行器或副蜂王飞行器获取任务信息。
具体实施方式四：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，针对多发导弹携带亚轨道蜂群飞行器，选择单Leader分层式Leader-Follower的队形控制方法为：
将飞行器群分为多个层次，每个小群的飞行器采用单Leader集中式队形，每个小群的副蜂王飞行器构成的编队采用单Leader集中式队形，由总蜂王飞行器控制。
本实施方式中，如图2所示，为单发导弹携带亚轨道蜂群飞行器的编队队形，选择单Leader集中式队形控制方法为：飞行器群中包含的2枚突防飞行器：1枚作为蜂王飞行器，1枚作为副蜂王飞行器；飞行器群中包含的其余2枚飞行器作为工蜂飞行器。
具体实施方式五：本实施方式对实施方式一作进一步说明，单Leader分层式Leader-Follower队形的保持控制模型建立过程为：
设飞行器群中的飞行器的控制系统是闭环稳定的，能够跟踪速度V、弹道偏角ψv和弹道倾角θ，且分别设其为一阶惯性环节，即：
其中：i表示飞行器编号；Vi表示第i枚飞行器实际速度；Vci表示第i枚飞行器期望速度；θi表示第i枚飞行器实际弹道倾角；θci表示第i枚飞行器期望弹道倾角；ψvi表示第i枚飞行器实际弹道偏角；ψvci表示第i枚飞行器期望弹道偏角；λv、λθ和表示惯性时间系数；
惯性坐标系下，飞行器的运动学方程为：
定义相对坐标系or-xryrzr，相对坐标系原点位于蜂王飞行器质心，orxr轴指向蜂王飞行器的速度方向，oryr竖直向上，orzr轴与oryr构成右手坐标系，如图4所示，两枚飞行器在惯性坐标系和相对坐标系的关系如图5和图6所示，两枚飞行器在惯性坐标系和相对坐标系的关系为：
其中：
则两枚飞行器之间的相对位置偏差为：
进而：
其中：
而：
则：
其中：
对于f1表达式，其中：
为了使相对位置偏差e为0，选定PD控制律：
则：
控制量为：
本发明中，单Leader队形保持控制仿真过程为：对队形控制器进行仿真分析，取控制条件为：
蜂王飞行器与工蜂飞行器1的期望间距：
蜂王飞行器与工蜂飞行器2的期望间距：
蜂王飞行器与工蜂飞行器3的期望间距：
飞行器跟随弹道控制系统的惯性时间常数为：
λv＝1.21
λθ＝2.65
蜂王飞行器运动状态：
1、初始速度：Vl＝6700m/s；
2、初始位置：Xl0＝-10000m，Yl0＝110000m，Zl0＝-19000m；
3、弹道偏角的变化规律为：其中：弹道偏角的初值为：ψvl0＝45°，振幅为频率为
4、弹道倾角的变化规律为：θ(t)＝θ0+Aθsin(Fθt)，其中：弹道倾角的初值为：θl0＝30°，振幅为Aθ＝15°，频率为Fθ＝1.5°/s；
工蜂飞行器1的运动状态：
1、初始速度：Vf＝6500m/s；
2、初始弹道倾角：θ＝10°；
3、初始弹道偏角：ψv＝20°
4、工蜂飞行器初始位置由蜂王飞行器初始位置以及相对距离给定，即：
带入蜂王飞行器初始条件，可得工蜂飞行器1的初始位置：
Xf10＝-55708m
Yf10＝-5000m
Zf10＝-15718m。
工蜂飞行器2的运动状态：
1、初始速度：Vf＝6300m/s；
2、初始弹道倾角：θ＝20°；
3、初始弹道偏角：ψv＝30°
4、工蜂飞行器初始位置由蜂王飞行器初始位置以及相对距离给定，即：
带入蜂王飞行器初始条件，可得工蜂飞行器2的初始位置：
Xf20＝-13282m
Yf20＝-5000m
Zf20＝26708m。
工蜂飞行器3的运动状态：
1、初始速度：Vf＝6300m/s；
2、初始弹道倾角：θ＝20°；
3、初始弹道偏角：ψv＝20°
4、工蜂飞行器初始位置由蜂王飞行器初始位置以及相对距离给定，即：
带入蜂王飞行器初始条件，可得工蜂飞行器3的初始位置：
Xf20＝-58990m
Yf20＝-25000m
Zf20＝29990m。
仿真结果如下：图7是蜂王飞行器与工蜂飞行器的弹道曲线仿真图，图8-图10分别是三个工蜂飞行器与蜂王飞行器在相对坐标系三个方向的间距仿真图；图11是蜂王飞行器与工蜂飞行器的速度曲线仿真图。
针对于本发明，虽然算例没有考虑工程约束问题，只从编队队形保持控制器的角度进行设计，但是从仿真的结果可以看出，队形保持控制比较理想，各个飞行器的弹道曲线比较平滑，而且速度变化范围不大，能够满足实际的控制要求。因此，该编队控制方案适合于本发明所提出的速度范围，具有可行性。
本发明中，单Leader两层队形保持控制仿真过程为：
对于飞行器编队数量很多的情况，应用集中式的控制方法显得十分繁琐，而且容易产生队形变换式发生混乱。因此，可以将飞行器群分成几个小的编队，每一个编队中设定一个蜂王飞行器，然后将各个编队的蜂王飞行器看成一个新的编队进行控制，这样可以避免发生混乱。下面对于本发明针对的亚轨道亚轨道蜂群飞行器的编队队形控制进行仿真。
队形保持控制器进行仿真分析，取仿真条件为：
总蜂王飞行器与副蜂王飞行器1的期望间距：
总蜂王飞行器与副蜂王飞行器2的期望间距：
飞行器跟随弹道控制系统的惯性时间常数为：
λv＝3.21
λθ＝5.65。
总蜂王飞行器的运动状态：
1、初始速度：Vl＝6700m/s；
2、初始位置：Xl0＝20000m，Yl0＝150000m，Zl0＝19000m；
3、弹道偏角的变化规律为：其中：弹道偏角的初值为：ψvl0＝45°，振幅为频率为
4、弹道倾角的变化规律为：θ(t)＝θ0+Aθsin(Fθt)，其中：弹道倾角的初值为：θl0＝30°，振幅为Aθ＝15°，频率为Fθ＝5°/s；
副蜂王飞行器1的运动状态：
1、初始速度：Vl1＝6500m/s；
2、初始弹道倾角：θ＝10°；
3、初始弹道偏角：ψv＝20°
4、副蜂王飞行器1初始位置由总蜂王飞行器初始位置以及相对距离给定，即：
代入总蜂王飞行器初始条件，可得副蜂王飞行器1的初始位置：
Xl10＝-33670m
Yl10＝152331m
Zl10＝16134m
副蜂王飞行器2的运动状态：
1、初始速度：Vl2＝6300m/s；
2、初始弹道倾角：θ＝20°；
3、初始弹道偏角：ψv＝30°
4、副蜂王飞行器2初始位置由总蜂王飞行器初始位置以及相对距离给定，即：
代入总蜂王飞行器初始条件，可得副蜂王飞行器2的初始位置：
Xl20＝22890m
Yl20＝152338m
Zl20＝72695m
副蜂王飞行器1所在编队队形控制器仿真条件：
副蜂王飞行器1与工蜂飞行器1的期望间距：
副蜂王飞行器1与工蜂飞行器2的期望间距：
飞行器跟随弹道控制系统的惯性时间常数为：
λv＝3.21
λθ＝5.65
工蜂飞行器1的运动状态：
1、初始速度：Vf＝6500m/s；
2、初始弹道倾角：θ＝10°；
3、初始弹道偏角：ψv＝20°
4、工蜂飞行器1初始位置由副蜂王飞行器1初始位置以及相对距离给定，即：
代入副蜂王飞行器1初始条件，可得工蜂飞行器1的初始位置：
Xf10＝-78379m
Yf10＝166813m
Zf10＝-10146m
工蜂飞行器2的运动状态：
1、初始速度：Vf＝6300m/s；
2、初始弹道倾角：θ＝20°；
3、初始弹道偏角：ψv＝30°
4、工蜂飞行器2初始位置由副蜂王飞行器1初始位置以及相对距离给定，即：
代入副蜂王飞行器1初始条件，可得工蜂飞行器2的初始位置：
Xf20＝-51010m
Yf20＝166820m
Zf20＝65018m
仿真结果如图12所示。从仿真结果可以看出，第一层(蜂王飞行器层)，队形保持效果比较理想，副蜂王飞行器和总蜂王飞行器之间的位置能够很稳定的保持在期望值附近，三个蜂王飞行器的弹道曲线比较平滑，易于实现飞行控制；第二层(工蜂飞行器层)，队形保持也比较理想，两枚工蜂飞行器与副蜂王飞行器1之间的位置保持在期望值附近，偏差控制在允许范围之内，弹道曲线平滑。仿真结果证明单leader分层式队形控制对于大集群编队的控制效果好，队形保持易于实现，具有可行性。