一种侧窗探测条件下的导弹轨迹姿态协调控制系统及方法与流程

技术特征：

1.一种侧窗探测条件下的导弹轨迹姿态协调控制系统，其特征在于，包括依次数据连接的初始滚转角指令计算模块、初始指标角计算模块、带反馈项的滚转角指令差值计算模块、带反馈项情况下的指标角计算模块以及最终滚转角指令计算模块；其中：

初始滚转角指令计算模块，用于接受制导回路提供的参数θ_m,ψ_m来求解初始滚转角指令γ_c，并将所述初始滚转角指令γ_c发送至所述初始指标角计算模块；

初始指标角计算模块，用于计算表征侧窗探测效果的指标角，并将指标角发送至带反馈项的滚转角指令差值计算模块；

带反馈项的滚转角指令差值计算模块，用于接受初始指标角计算模块提供的指标角：视线偏离角Δγ和探测夹角γ_Rside，并将视线偏离角Δγ作为反馈项修正导弹每拍需要滚转的角度以使得Δγ更好地逼近零，并将反馈后导弹每拍需要滚转的角度发送至带反馈项情况下的指标角计算模块；

带反馈项情况下的指标角计算模块，用于求解导弹按照带反馈项的滚转角差值滚转后的指标角：带反馈项情况下的视线偏离角Δγ^*和带反馈项情况下的探测夹角并将视线偏离角Δγ^*符合侧窗探测要求时的带反馈项的滚转角差值发送至最终滚转角指令计算模块；

最终滚转角指令计算模块，用于计算最终的滚转角指令

2.一种采用权利要求1所述系统的侧窗探测条件下的导弹轨迹姿态协调控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据初始拦截条件和制导仿真参数，得到制导回路提供的弹目视线矢量导弹速度矢量导弹速度倾角θ_m和偏角ψ_m，计算导弹的初始滚转角指令γ_c；

步骤2：根据初始滚转角指令γ_c，计算视线偏离角Δγ和探测夹角γ_Rside；

步骤3：计算带反馈项情况下导弹每拍需要滚转的角度

步骤4：根据导弹每拍需要滚转的角度计算带反馈项情况下的视线偏离角Δγ^*和探测夹角

步骤5：判断带反馈项情况下的视线偏离角Δγ^*是否满足给定的指标要求，满足则直接进入下一步，不满足则继续调整反馈系数m重复步骤3和4直至满足给定的指标要求再进入下一步；

步骤6：计算最终的滚转角指令

3.根据权利要求2所述的侧窗探测条件下的导弹轨迹姿态协调控制方法，其特征在于，步骤1中的具体方法如下：

1-1)计算弹目视线矢量和导弹速度矢量所构成平面的法向量在地面坐标系的表示：

${\stackrel{\→}{N}}_{RXg}=\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{R}\×{\stackrel{\→}{V}}_{mg}---\left(1\right)$

其中，为弹目视线矢量，Δx,Δy,Δz分别为导弹和目标在地面坐标系x_g,y_g,z_g三轴的相对距离；为导弹速度矢量在地面坐标系的表示，θ_m,ψ_m分别为导弹速度倾角和偏角；

1-2)计算初始时刻导弹侧窗垂直轴N_side和导弹初始速度矢量所构成平面的法向量在地面坐标系的表示为：

${\stackrel{\→}{N}}_{sideXg0}={\stackrel{\→}{N}}_{side\left(g\right)0}\×{\stackrel{\→}{V}}_{mg0}=R_{gd}({\mathrm{\θ}}_{m0},{\mathrm{\ψ}}_{m0}){\stackrel{\→}{N}}_{sideXd0}---\left(2\right)$

其中，为初始时刻导弹速度矢量在地面坐标系的表示，θ_m0,ψ_m0分别为初始时刻的导弹速度倾角和偏角；R_gd(θ_m0,ψ_m0)为初始时刻弹道坐标系到地面坐标系的坐标变换公式；R_gd(θ_m0,ψ_m0)具体为：

$R_{gd}({\mathrm{\θ}}_{m0},{\mathrm{\ψ}}_{m0})=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{cos\θ}}_{m0}{\mathrm{cos\ψ}}_{m0}& -{\mathrm{sin\θ}}_{m0}{\mathrm{cos\ψ}}_{m0}& {\mathrm{sin\ψ}}_{m0}\\ {\mathrm{sin\θ}}_{m0}& {\mathrm{cos\θ}}_{m0}& 0\\ -{\mathrm{cos\θ}}_{m0}{\mathrm{sin\ψ}}_{m0}& {\mathrm{sin\θ}}_{m0}{\mathrm{sin\ψ}}_{m0}& {\mathrm{cos\ψ}}_{m0}\end{array}\right]$

为初始时刻导弹侧窗垂直轴N_side在地面坐标系的表示，要求起始时刻导弹侧窗垂直轴N_side与导弹弹道坐标系的O_dZ_d轴重合，则起始时刻导弹侧窗垂直轴N_side在弹道坐标系的表示为那么N_side在地面坐标系的表示为：

${\stackrel{\→}{N}}_{side\left(g\right)0}=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{cos\θ}}_{m0}{\mathrm{cos\ψ}}_{m0}& -{\mathrm{sin\θ}}_{m0}{\mathrm{cos\ψ}}_{m0}& {\mathrm{sin\ψ}}_{m0}\\ {\mathrm{sin\θ}}_{m0}& {\mathrm{cos\θ}}_{m0}& 0\\ -{\mathrm{cos\θ}}_{m0}{\mathrm{sin\ψ}}_{m0}& {\mathrm{sin\θ}}_{m0}{\mathrm{sin\ψ}}_{m0}& {\mathrm{cos\ψ}}_{m0}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{sin\ψ}}_{m0}\\ 0\\ {\mathrm{cos\ψ}}_{m0}\end{array}\right]$

为初始时刻的法向量在弹道坐标系的表示，由于要求起始时刻导弹侧窗垂直轴N_side与导弹弹道坐标系的O_dZ_d轴重合，那么起始时刻导弹侧窗垂直轴N_side和导弹速度矢量构成平面的法向量在弹道坐标系表示为法向量在地面坐标系可表示为：

${\stackrel{\→}{N}}_{sideXg0}=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{cos\θ}}_{m0}{\mathrm{cos\ψ}}_{m0}& -{\mathrm{sin\θ}}_{m0}{\mathrm{cos\ψ}}_{m0}& {\mathrm{sin\ψ}}_{m0}\\ {\mathrm{sin\θ}}_{m0}& {\mathrm{cos\θ}}_{m0}& 0\\ -{\mathrm{cos\θ}}_{m0}{\mathrm{sin\ψ}}_{m0}& {\mathrm{sin\θ}}_{m0}{\mathrm{sin\ψ}}_{m0}& {\mathrm{cos\ψ}}_{m0}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}0\\ 1\\ 0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}-{\mathrm{sin\θ}}_{m0}{\mathrm{cos\ψ}}_{m0}\\ {\mathrm{cos\θ}}_{m0}\\ {\mathrm{sin\θ}}_{m0}{\mathrm{sin\ψ}}_{m0}\end{array}\right]$

1-3)根据式(3)计算弹目视线矢量与导弹速度矢量所构成的平面和初始时刻侧窗垂直轴N_side与导弹初始速度矢量所构成的平面之间的二面角μ_Rside0：

${\mathrm{\μ}}_{Rside0}=\left|arccos\left(\frac{{\stackrel{\→}{N}}_{RXg}\·{\stackrel{\→}{N}}_{sideXg0}}{\left|{\stackrel{\→}{N}}_{RXg}\right|\left|{\stackrel{\→}{N}}_{sideXg0}\right|}\right)\right|---\left(3\right)$

1-4)计算初始滚转角指令γ_c：

1-4-1)当导弹纵轴比视线方向高时，也即导弹速度矢量比视线矢量高时，为保证导弹能够探测到目标，导弹需要正向偏转侧窗垂直轴N_side才能探测到视线，此时γ_c＝μ_Rside0；

1-4-2)当导弹纵轴比视线方向低时，也即导弹速度矢量比视线矢量低时，为保证导弹能够探测到目标，导弹需要负向偏转侧窗垂直轴N_side才能探测到视线，此时γ_c＝-μ_Rside0；

因此有：

$\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\γ}}_c={\mathrm{\μ}}_{Rside0}& {\mathrm{\θ}}_{m0}\>q_{\mathrm{\ϵ}0}\\ {\mathrm{\γ}}_c=-{\mathrm{\μ}}_{Rside0}& {\mathrm{\θ}}_{m0}\≤q_{\mathrm{\ϵ}0}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，q_ε0为初始时刻的弹目视线倾角。

4.根据权利要求2所述的侧窗探测条件下的导弹轨迹姿态协调控制方法，其特征在于，步骤2的具体方法如下：

2-1)根据式(5)计算导弹每拍之间需要滚转的滚转角差值Δγ_c：

$\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\Δ\γ}}_c\left(i\right)={\mathrm{\γ}}_c\left(i\right)-{\mathrm{\γ}}_c(i-1)& i\≥2\\ {\mathrm{\Δ\γ}}_c\left(1\right)={\mathrm{\γ}}_c\left(1\right)& i=1\end{array}\right.---\left(5\right)$

2-2)计算导弹滚转Δγ_c后的导弹侧窗垂直轴N′_side在弹道坐标系中的表示：

${\stackrel{\→}{N}}_{side\left(d\right)}^{\′}=R_{{\mathrm{OX}}_d}\left({\mathrm{\Δ\γ}}_c\right){\stackrel{\→}{N}}_{side\left(d\right)}---\left(6\right)$

其中，表示的是绕弹道坐标系纵轴OX_d旋转Δγ_c的旋转矩阵；表示的是导弹滚转前侧窗垂直轴N_side在弹道坐标系中的表示；具体为：

$R_{{\mathrm{OX}}_d}\left({\mathrm{\Δ\γ}}_c\right)=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& cos\left({\mathrm{\Δ\γ}}_c\right)& -sin\left({\mathrm{\Δ\γ}}_c\right)\\ 0& sin\left({\mathrm{\Δ\γ}}_c\right)& \cos \left({\mathrm{\Δ\γ}}_c\right)\end{array}\right]$

由于导弹侧窗垂直轴固连在导弹上，每拍导弹的弹道坐标系都在变动时，导弹侧窗垂直轴在弹道坐标系的位置并不改变，因此有下面的关系存在：

${\stackrel{\→}{N}}_{side\left(d\right)}\left(i\right)={\stackrel{\→}{N}}_{side\left(d\right)}^{\′}(i-1)---\left(7\right)$

2-3)计算导弹滚转Δγ_c后，导弹侧窗垂直轴N′_side在地面坐标系中的表示：

${\stackrel{\→}{N}}_{side\left(g\right)}^{\′}=R_{gd}({\mathrm{\θ}}_m,{\mathrm{\ψ}}_m){\stackrel{\→}{N}}_{side\left(d\right)}^{\′}---\left(8\right)$

其中，R_gd(θ_m,ψ_m)为弹道坐标系到地面坐标系的坐标变换公式，具体为：

$R_{gd}({\mathrm{\θ}}_m,{\mathrm{\ψ}}_m)=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{cos\θ}}_m{\mathrm{cos\ψ}}_m& -{\mathrm{sin\θ}}_m{\mathrm{cos\ψ}}_m& {\mathrm{sin\ψ}}_m\\ {\mathrm{sin\θ}}_m& {\mathrm{cos\θ}}_m& 0\\ -{\mathrm{cos\θ}}_m{\mathrm{sin\ψ}}_m& {\mathrm{sin\θ}}_m{\mathrm{sin\ψ}}_m& {\mathrm{cos\ψ}}_m\end{array}\right]$

2-4)计算导弹速度矢量与旋转后的导弹侧窗垂直轴N′_side所构成平面的法向量在弹道坐标系的表示：

${\stackrel{\→}{N}}_{sideXd}^{\′}=R_{{\mathrm{OX}}_d}\left({\mathrm{\Δ\γ}}_c\right){\stackrel{\→}{N}}_{sideXd}---\left(9\right)$

其中，为导弹速度矢量与旋转前的导弹侧窗垂直轴N_side所构成平面的法向量在弹道坐标系的表示，具体有：

${\stackrel{\→}{N}}_{sideXd}\left(i\right)={\stackrel{\→}{N}}_{sideXd}^{\′}(i-1)---\left(10\right)$

2-5)计算导弹速度矢量与旋转后的导弹侧窗垂直轴N′_side所构成平面的法向量在地面坐标系的表示：

${\stackrel{\→}{N}}_{sideXg}^{\′}=R_{gd}({\mathrm{\θ}}_m,{\mathrm{\ψ}}_m){\stackrel{\→}{N}}_{sideXd}^{\′}---\left(11\right)$

2-6)计算按照初始滚转角指令滚转情况下的指标角；

定义弹目视线矢量与导弹速度矢量和旋转后的导弹侧窗垂直轴N′_side所构成平面的线面角Δγ为视线偏离角，其能够作为评判和导弹侧窗垂直轴N_side三个矢量是否共面的依据；Δγ为零时表示上述三个矢量共面，满足侧窗探测要求的共面条件，同时将该角度要求放宽至Δγ∈[-5°,5°]；视线偏离角Δγ求解如下：

定义弹目视线矢量与旋转后的导弹侧窗垂直轴N′_side之间的角度γ_Rside为探测夹角，其可作为和导弹侧窗垂直轴N_side三个矢量共面后，评价导弹侧窗垂直轴N′_side能否探测到目标的依据；当20°≤γ_Rside≤70°时，表明导弹侧窗垂直轴能探测到目标；其他范围时，表示导弹侧窗垂直轴探测不到目标；探测夹角γ_Rside求解如下：

${\mathrm{\γ}}_{Rside}=arccos\left(\frac{\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{R}\·{\stackrel{\→}{N}}_{side\left(g\right)}^{\′}}{\left|\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{R}\right|\left|{\stackrel{\→}{N}}_{side\left(g\right)}^{\′}\right|}\right)---\left(13\right)$

5.根据权利要求2所述的侧窗探测条件下的导弹轨迹姿态协调控制方法，其特征在于，步骤3的具体方法如下：

带反馈项的滚转角指令差值计算模块，用于接受初始指标角计算模块提供的指标角：视线偏离角Δγ和探测夹角γ_Rside，并将视线偏离角Δγ作为反馈项修正初始滚转角指令γ_c，以使得Δγ更好地逼近零；具体如下：

${\mathrm{\Δ\γ}}_c^{*}\left(i\right)={\mathrm{\Δ\γ}}_c\left(i\right)-m.{\mathrm{\Δ\γ}}^{*}(i-1)/100---\left(14\right)$

其中，为反馈后导弹每拍需要滚转的角度；Δγ_c为初始滚转角指令每拍之间的差值；Δγ^*为带反馈项情况下的视线偏离角；m为反馈系数。

6.根据权利要求2所述的侧窗探测条件下的导弹轨迹姿态协调控制方法，其特征在于，步骤4的具体方法如下：

4-1)计算导弹滚转后的导弹侧窗垂直轴N′_side在弹道坐标系中的表示：

${\stackrel{\→}{N}}_{side\left(d\right)}^{\′*}=R_{{\mathrm{OX}}_d}\left({\mathrm{\Δ\γ}}_c^{*}\right){\stackrel{\→}{N}}_{side\left(d\right)}^{*}---\left(15\right)$

其中，表示的是绕弹道坐标系纵轴OX_d旋转的旋转矩阵；表示的是带反馈项情况下导弹滚转前侧窗垂直轴N_side在弹道坐标系中的表示；具体为：

$R_{{\mathrm{OX}}_d}\left({\mathrm{\Δ\γ}}_c^{*}\right)=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& cos\left({\mathrm{\Δ\γ}}_c^{*}\right)& -sin\left({\mathrm{\Δ\γ}}_c^{*}\right)\\ 0& sin\left({\mathrm{\Δ\γ}}_c^{*}\right)& \cos \left({\mathrm{\Δ\γ}}_c^{*}\right)\end{array}\right]$

由于导弹侧窗垂直轴固连在导弹上，每拍导弹的弹道坐标系都在变动时，导弹侧窗垂直轴在弹道坐标系的位置并不改变，因此有下面的关系存在：

${\stackrel{\→}{N}}_{side\left(d\right)}^{*}\left(i\right)={\stackrel{\→}{N}}_{side\left(d\right)}^{\′*}(i-1)---\left(16\right)$

4-2)计算导弹滚转后，导弹侧窗垂直轴N′_side在地面坐标系中的表示：

${\stackrel{\→}{N}}_{side\left(g\right)}^{\′*}=R_{gd}({\mathrm{\θ}}_m,{\mathrm{\ψ}}_m){\stackrel{\→}{N}}_{side\left(d\right)}^{\′*}---\left(17\right)$

其中，R_gd(θ_m,ψ_m)为弹道坐标系到地面坐标系的坐标变换公式，具体为：

$R_{gd}({\mathrm{\θ}}_m,{\mathrm{\ψ}}_m)=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{cos\θ}}_m{\mathrm{cos\ψ}}_m& -{\mathrm{sin\θ}}_m{\mathrm{cos\ψ}}_m& {\mathrm{sin\ψ}}_m\\ {\mathrm{sin\θ}}_m& {\mathrm{cos\θ}}_m& 0\\ -{\mathrm{cos\θ}}_m{\mathrm{sin\ψ}}_m& {\mathrm{sin\θ}}_m{\mathrm{sin\ψ}}_m& {\mathrm{cos\ψ}}_m\end{array}\right]$

4-3)计算导弹滚转后，导弹速度矢量与旋转后的导弹侧窗垂直轴N′_side所构成平面的法向量在弹道坐标系的表示：

${\stackrel{\→}{N}}_{sideXd}^{\′*}=R_{{\mathrm{OX}}_d}\left({\mathrm{\Δ\γ}}_c^{*}\right){\stackrel{\→}{N}}_{sideXd}^{*}---\left(18\right)$

其中，为带反馈项情况下导弹速度矢量与旋转前的导弹侧窗垂直轴N_side所构成平面的法向量在弹道坐标系的表示，具体有：

${\stackrel{\→}{N}}_{sideXd}^{*}\left(i\right)={\stackrel{\→}{N}}_{sideXd}^{\′*}(i-1)---\left(19\right)$

4-4)计算导弹滚转后，导弹速度矢量与旋转后的导弹侧窗垂直轴N′_side所构成平面的法向量在地面坐标系的表示：

${\stackrel{\→}{N}}_{sideXg}^{\′*}=R_{gd}({\mathrm{\θ}}_m,{\mathrm{\ψ}}_m){\stackrel{\→}{N}}_{sideXd}^{\′*}---\left(20\right)$

4-5)计算按照带反馈项的滚转角差值滚转后的指标角：

带反馈项情况下的视线偏离角Δγ^*：

带反馈项情况下的探测夹角

${\mathrm{\γ}}_{Rside}^{*}=arccos\left(\frac{\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{R}\·{\stackrel{\→}{N}}_{side\left(g\right)}^{\′*}}{\left|\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{R}\right|\left|{\stackrel{\→}{N}}_{side\left(g\right)}^{\′*}\right|}\right)---\left(22\right).$

7.根据权利要求2所述的侧窗探测条件下的导弹轨迹姿态协调控制方法，其特征在于，步骤6中，采用式(23)计算得到最终的滚转角指令

${\mathrm{\γ}}_c^{*}\left(i\right)={\mathrm{\γ}}_c^{*}(i-1)+{\mathrm{\Δ\γ}}_c^{*}\left(i\right)---\left(23\right).$