多弹协同末制导方法综述

摘要：      多弹协同是导弹制导领域近年来重要的研究方向。 本文基于任务需求、 通信结构、 约束条件等分类标准， 对当前多弹协同末制导策略进行分类总结， 对时间协同制导律、 空间协同制导律、 时空协同制导律的研究现状进行梳理， 分析了现阶段协同制导面临的关键问题， 如剩余飞行时间估计问题、 机动目标协同拦截问题、 闭环协同制导信息配准问题、 闭环协同弹间通信问题等， 提出了未来多弹协同末制导技术的4个研究方向： 大机动目标协同拦截技术、 面向真实场景的鲁棒协同制导技术、 智能化自主化协同制导技术、 协同作战并行交互式设计技术。

关键词：     协同制导； 制导策略； 时间协同； 空间协同； 时空协同； 拦截； 信息配准； 导弹

中图分类号：      TJ760    文章编号：     1673-5048（2023）04-0017-09

文献标识码：    A    DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0244

0引言

科学技术的不断发展推动智能化时代加速到来， 一大批具有鲜明智能化特征的军事技术不断推动战争形态改变， 各种新型作战方式不断涌现， 作战领域正在发生前所未有的深刻变革［1］。 协同作战作为智能化作战的重要理念之一， 通过数据交换、 信息共享等方式大大提升弹群的整体作战效能， 能够完成单枚导弹不可能完成的任务， 得到各国的广泛关注， 取得了诸多成果。 例如， 美国通过增加双向数据链带宽和信息容量， 增强了“战斧”导弹网络化协同作战能力以及对敌方防空体系压制能力［2］； 其新一代反舰导弹LRASM则利用稳定可靠的数据链技术， 具备了对航空母舰战斗群的协同攻击能力［3］。 俄罗斯Π-700“花岗岩”超声速反舰导弹采用“领弹-从弹”式制导架构， 可将陆、 海、 空基传感器， 甚至卫星获得的信息进行融合解算， 实施飞行任务规划， 完成自主攻击［4］。 欧洲导弹集团推出了采用高低弹道结合协同制导的新型武器重甲步兵导弹， 通过双向数据链支持可实现重新瞄准和打击效果评估［2］。

根据多武器平台的协同作战流程， 可将协同作战任务剖面划分为编队组建、 协同探测、 协同突防和协同攻击四个不同阶段［5］， 其中， 协同制导是实现多弹协同作战的具体途径和关键技术。 为此， 众多学者针对协同制导方法开展了大量的研究工作， 取得了许多突破性成就： McLain［6］首次提出了协调变量的概念， 基于该协调变量的控制方法可作为多智能体协同控制的通用方法； 随后， 赵世钰等［7］基于协调变量设计了一种具有一定通用性的双层协同制导结构， 由分散于各个导弹的底层制导律和上层集中式或分散式的协调策略组成。 张友安等人［8］首次提出领弹-从弹协同制导架构， 通过控制从弹追踪领弹状态来达到状态协同。 事实上， 随着协同制导方法逐渐丰富、 类型逐渐完善， 除了以上“双层”式和“领弹-从弹”式两种不同的协同制导架构外， 还可按照弹间通信是否在线分为闭环协同和开环协同； 按照弹间通信结构不同分为集中式协同和分布式协同； 按照所受终端约束条件分为时间约束协同、 空间约束协同和时空约束协同等。

目前已有多位学者就协同制导律设计方法进行总结论述， 分别从制导架构［9］、 通讯结构［9-10］以及终端约束条件［11-12］对协同制导律设计现状进行了总结归纳， 分析协同制导存在的问题。 本文在此基础上， 结合实际作战需求对现有协同制导分类标准进行总结， 系统梳理并阐述了多弹协同末制导阶段各类协同制导策略的内涵， 从制导律设计的角度对协同制导的研究现状进行总结， 分析了协同制导涉及的关键技术， 尤其针对未来真实作战场景下机动目标的协同拦截问题进行深入分析。

1协同制导分类

1.1按任务需求分类

（1） 提高毁伤效果

在针对静止、 低速目标等导弹自身机动能力占优的作战场景中， 通过合理设计制导律， 单枚导弹即可完成对目标的攻击拦截， 实现零脱靶量， 但可能存在无法对目标功能结构造成致命毁伤的情况。 此时， 通过为多枚导弹设置必要的末端约束条件， 实现多弹协同攻击或拦截， 有望大大提高对目标的打击毁伤效果。

（2） 提高命中概率

以强机动性能和复杂突防策略为代表的新型制导武器不断发展， 单一拦截弹相对于目标的机动优势大大削弱， 此时需要采用多枚导弹协同拦截， 确保任务成功。 以末制导阶段拦截高超声速飞行器为例， 拦截弹需要具有数倍于目标的机动优势才可实现拦截任务［13］， 而高过载对于拦截弹自身性能提出太高要求， 难以实现， 因此， 多弹协同制导成为解决该问题的有效途径。

1.2按通信结构分类

根据弹间通信信息的交互是否在线， 可将协同制导划分为开环协同与闭环协同。 开环协同的各弹之间无信息交互、 自身状态信息无法被其他导弹感知和利用， 只依靠发射前预先设定期望值来实现多弹协同， 因此， 开环协同本质上为一对一制导， 仅可实现终端状态协同。 闭环协同时， 多弹可在制导过程中进行实时的信息交互， 实现信息共享。 相比于开环协同， 闭环协同准确度和完成度均有较大提升［10］。 而弹间通信结构是实现闭环协同的关键， 有集中式和分布式两种。

（1） 集中式协同

协调信息统一形成、 集中配置的综合式协同制导方法称为集中式协同制导。 集中式协同制导中所有参战导弹的状态信息被发送至集中协调单元， 共同形成一个唯一的协调信息并分发至所有导弹。 集中协调单元可以是地面站、 预警机， 也可以是领弹-从弹中的领弹， 甚至是存在于一枚普通导弹中的运算单元［14］。 集中式协同制导最显著的特征是集中协调单元、 统一配置协调信息给所有参战导弹， 用于时间、 角度约束的协调， 以达到状态一致的目的。

（2） 分布式协同

分布式协同制导是指通过相邻导弹的局部通信， 渐进实现对协同目标认知一致的协同制导方法。 每枚导弹的控制指令协同部分都涉及了所有能与其通信的导弹（一般为相邻导弹）的状态信息， 尽管单枚导弹协调信息反映的集群状态不如集中式协同制导充分， 但通过通信结构的互联， 状态信息同样可以间接地实现共享。 其中， 每枚导弹的地位相等， 不存在一个集中协调单元， 取而代之的是分散在各枚导弹中的协调信息运算单元［14］。

1.3按约束条件分类

末端约束条件的引入能够优化打击效果， 包括时间约束、 空间约束和时空约束条件。

（1） 时间约束协同

时间约束协同是指带有时间约束的协同制导律。 时间约束中各导弹通过调整各自飞行轨迹来控制飞行时长， 最终实现同时攻击或拦截目标。

（2） 空间约束协同

空间约束协同是指带有空间约束的协同制导律。 多枚导弹以特定攻击角度打击目标， 针对某些仅依靠小脱靶量无法对目标造成有效毁伤， 还需导弹以特定角度打击目标的作战场景。

（3） 时空约束协同

为实现对目标的全方位饱和打击， 要求多枚导弹以特定的攻击角度同时攻击或拦截目标， 如图1所示， 此时设计的制导律需要同时满足时间和空间上的约束。 时空约束协同是指同时包含时间约束和空间约束的协同制导律， 可进行多枚导弹对目标的全方位饱和打击， 从而实现毁伤效果最大化。

2协同制导研究现状

考虑时间、 空间和时空约束的多弹协同制导方法具有更加丰富多样的作战应用场景。 例如， 传统单枚反舰导弹已很难突破舰艇防御系统， 无法对目标造成致命毁伤， 多枚反舰导弹基于时间协同同时对舰艇进行打击， 可大大提升打击效果； 多枚反坦克导弹基于空间约束形成攻顶态势， 攻击坦克装甲防护相对薄弱的顶装甲， 发挥最大毁伤效能等。

2.1时间协同制导律

时间协同制导律按照弹间通信离线、 在线模式分为开环协同和闭环协同。 开环协同经过多年发展已较为成熟。 开环协同考虑导弹的具体特性， 通过对每枚导弹预先装订相同的攻击时间来实现多弹协同， 在制导过程中需要剩余时间的精确估计值， 本质上仍为一对一的制导方式， Jeon等［15］提出了预先设定飞行时间的制导律ITCG， 在最优比例导引律的基础上， 增加预估攻击时间和期望时间的误差反馈项， 成功解决了制导律设计中的时间约束问题。

闭环协同利用弹间信息交互， 将协同问题转化为协调变量的一致性问题。 若协调变量选取为剩余时间， 则协同过程为各弹剩余时间实现一致性的过程， 此过程与开环时间协同一样需要精确的剩余时间估计。 针对静止目标的时间协同问题， Yu等［16］针对二维平面中静止目标的时间协同问题， 采用离散方法设计了固定时间收敛的协同制导律， 通过在切向加速度上增加法向加速度驱动补偿项， 消除状态一致前航向角为零时存在的奇异问题。 李国飞等人［17］提出了两种领从式协同制导律设计方法： 一是利用二阶系统一致性理论将多弹协同制导问题转化为多智能体一致性问题； 二是通过设计分布式扩张状态观测器实现从弹对领弹状态的协同追踪。 陈中原等人［18］采用基于策略梯度下降的深度神经网络DDPG强化学习算法进行协同制导律设计， 以剩余飞行时间和剩余弹目距离作为观测量， 以脱靶量和剩余飞行时间构造奖励函数， 通过大量离线训练实现多弹以较小脱靶量同时攻击目标。 针对机动目标的时间协同问题， 马萌晨等人［19］在传统比例导引律基础上引入时间误差项， 实现多弹时间协同， 针对机动目标的剩余时间估计误差问题， 通过设计时变导航比调整飞行弹道， 减小剩余时间估计误差。

上述闭环协同制导律在设计过程中均采用剩余时间作为协调变量， 然而针对机动目标尚无准确的剩余时间估计方法， 因此， 面向机动目标就会产生时间协同误差， 影响最终的多弹时间协同精度。 为避免时间协同误差， 张振林等人［20］提出了以剩余弹目距离作为协调变量的时间协同制导律设计方法， 将剩余时间协同转化为剩余弹目距离协同， 设计了“领弹-从弹”式协同制导律， 其中领弹采用增广比例导引， 从弹利用二阶非线性系统求得总控质量， 通过反馈线性化解耦得到俯仰和偏航通道的控制量。 Li等［21］考虑只有领弹携带导引头的作战场景， 设计分布式观测器， 从弹通过观测器对领弹剩余弹目距离进行观测， 通过保持从弹-领弹距离与领弹-目标距离成比例来实现时间协同， 通过设计不同的比例系数实现飞行过程中多弹防碰撞。 上述方法均避免了剩余时间估计， 具有更高的协同精度。

2.2空间协同制导律

空间协同通过导引导弹以特定攻击角度打击目标， 最大限度地发挥战斗部效能， 取得更佳的毁伤效果。 与时间协同相似， 空间约束的协同制导律按照弹间通信离线/在线模式， 同样可分为开环协同和闭环协同， 其中闭环空间协同大多与时间协同相结合实现时空协同。

开环空间协同制导律在制导过程中各弹间无信息交互， 与开环时间协同制导律类似， 依靠各弹预先装订的终端角度约束实现协同， 是一对一的制导方案。 刘远贺等人［22］设计了一种可实现任意时间收敛的碰撞角约束制导律， 将任意时间收敛控制方程与带有碰撞角约束的比例导引律相结合， 可实现碰撞角在任意设定时间内收敛。 李军等人［23］将终端滑模控制与超螺旋算法结合设计了一种多变量终端滑模面， 有效抑制系统抖动， 设计了带有期望视线角约束的制导律。 李贵栋等人［24］为解决拦截弹初始需用过载较大导致过早损失较多能量的问题， 提出控制权函数概念， 设计了一种需用过载较小且满足终端视线角约束的最优制导律， 有效减小初始阶段过载， 改善能量消耗。

2.3时空协同制导律

为了实施多弹对目标全方位饱和打击， 实现毁伤效果最大化， 提出须同时满足时间和空间约束的时空协同制导律， 其设计过程通常被分解为视线方向和视线法向两个制导子问题。