兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (6): 240739-.doi: 10.12382/bgxb.2024.0739
王江1,2, 朱梓杨1,2, 李虹言1,2,*(), 王鹏1,2
收稿日期:
2024-08-27
上线日期:
2025-06-28
通讯作者:
基金资助:
WANG Jiang1,2, ZHU Ziyang1,2, LI Hongyan1,2,*(), WANG Peng1,2
Received:
2024-08-27
Online:
2025-06-28
摘要:
多飞行器角度最优协同制导能够以最低能耗实现对机动目标的多向拦截,是制导领域的重要研究方向。现有最优协同制导方法需利用全局信息生成最优制导指令,故多采用集中式通信拓扑,而集中式通信可靠性较低,不利于实际应用。针对上述问题,基于分布式凸优化理论,提出一种分布式能量最优多向协同制导方法,以解决分布式信息局部性与协同指令全局最优性之间的矛盾。该方法基于广义弹道成型制导律(Generalized Trajectory Shaping Guidance Law,GTSG),通过解析推导飞行器控制能量与期望终端视线角的映射关系,以总控制能量为目标函数,并结合相对视线角约束构建分布式凸优化问题。提出扩展原始对偶算法,实现分布式全局寻优,实时协调飞行器期望视线角,使多飞行器在GTSG作用下以最小能耗协同拦截目标。仿真结果及其分析表明:相比于现有的集中式多向协同制导算法,所提方法无需依赖中心节点,同时兼顾了全局能量最优性。
王江, 朱梓杨, 李虹言, 王鹏. 基于分布式凸优化的能量最优多向协同制导方法[J]. 兵工学报, 2025, 46(6): 240739-.
WANG Jiang, ZHU Ziyang, LI Hongyan, WANG Peng. An Energy-optimal Relative-angle-constrained Cooperative Guidance Method Based on Distributed Convex Optimization[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(6): 240739-.
飞行器 | 位置/m | 速度/(m·s-1) | 航迹角/deg |
---|---|---|---|
M1 | (0,0) | 800 | 0 |
M2 | (0,0) | 800 | 5 |
M3 | (0,0) | 800 | 10 |
M4 | (0,0) | 800 | 15 |
T | (0,0) | 500 | 180 |
表1 初始仿真条件
Table 1 Initial simulation conditions
飞行器 | 位置/m | 速度/(m·s-1) | 航迹角/deg |
---|---|---|---|
M1 | (0,0) | 800 | 0 |
M2 | (0,0) | 800 | 5 |
M3 | (0,0) | 800 | 10 |
M4 | (0,0) | 800 | 15 |
T | (0,0) | 500 | 180 |
采用制导律 | 终端视线角/deg |
---|---|
本文制导律 | [19.45,9.45,-1.45,-11.45] |
文献[5]制导律 | [12.72,2.72,-7.28,-17.28] |
表2 飞行器终端视线角
Table 2 Terminal LOS angles of aerial vehicles
采用制导律 | 终端视线角/deg |
---|---|
本文制导律 | [19.45,9.45,-1.45,-11.45] |
文献[5]制导律 | [12.72,2.72,-7.28,-17.28] |
采用制导律 | 总能量消耗/(m2·s-3) |
---|---|
本文制导律 | 6.42×104 |
文献[5]制导律 | 1.70×105 |
表3 飞行器能量消耗
Table 3 Energy consumption of aerial vehicles
采用制导律 | 总能量消耗/(m2·s-3) |
---|---|
本文制导律 | 6.42×104 |
文献[5]制导律 | 1.70×105 |
初始仿真条件 | 正态分布 |
---|---|
飞行器速度VM/(m·s-1) | N(800,202) |
飞行器初始航迹角γ0/deg | N(10,52) |
目标速度VT/(m·s-1) | N(600,202) |
目标初始航迹角 /deg | N(150,102) |
目标初始横坐标 /m | N(6000,1002) |
目标初始纵坐标 /m | N(0,1002) |
目标加速度 /(m·s-2) | N(-49.1,4.912) |
表 4 变量范围
Table 4 Intervals of variables
初始仿真条件 | 正态分布 |
---|---|
飞行器速度VM/(m·s-1) | N(800,202) |
飞行器初始航迹角γ0/deg | N(10,52) |
目标速度VT/(m·s-1) | N(600,202) |
目标初始航迹角 /deg | N(150,102) |
目标初始横坐标 /m | N(6000,1002) |
目标初始纵坐标 /m | N(0,1002) |
目标加速度 /(m·s-2) | N(-49.1,4.912) |
采用制导律 | 总能量消耗/ (m2·s-3) | 脱靶量/m | 视线角误差/deg |
---|---|---|---|
本文制导律 | 4.33×104 | 0.5196 | 0.4396 |
文献[5]制导律 | 2.26×105 | 0.5245 |
表5 各性能指标均值
Table 5 The mean values of various performance indicators
采用制导律 | 总能量消耗/ (m2·s-3) | 脱靶量/m | 视线角误差/deg |
---|---|---|---|
本文制导律 | 4.33×104 | 0.5196 | 0.4396 |
文献[5]制导律 | 2.26×105 | 0.5245 |
拓扑是否变化 | 终端视线角/deg | 总能量消耗/(m2·s-3) |
---|---|---|
是 | [19.45,9.45,-1.45,-11.45] | 6.42×104 |
否 | [19.45,9.45,-1.45,-11.45] | 6.42×104 |
表6 对比仿真结果
Table 6 Comparison of simulated results
拓扑是否变化 | 终端视线角/deg | 总能量消耗/(m2·s-3) |
---|---|---|
是 | [19.45,9.45,-1.45,-11.45] | 6.42×104 |
否 | [19.45,9.45,-1.45,-11.45] | 6.42×104 |
飞行器 | 位置/m | 速度/(m·s-1) | 航迹角/deg |
---|---|---|---|
M1 | (0,3000) | 800 | 0 |
M2 | (0,3000) | 800 | 5 |
M3 | (0,3000) | 800 | 10 |
M4 | (0,3000) | 800 | 15 |
T | (6000,3000) | 500 | 180 |
表7 初始仿真条件
Table 7 The initial simulation conditions
飞行器 | 位置/m | 速度/(m·s-1) | 航迹角/deg |
---|---|---|---|
M1 | (0,3000) | 800 | 0 |
M2 | (0,3000) | 800 | 5 |
M3 | (0,3000) | 800 | 10 |
M4 | (0,3000) | 800 | 15 |
T | (6000,3000) | 500 | 180 |
马赫数 | /(rad-1) | Cd0 | /(rad-2) |
---|---|---|---|
1.5 | 27.47 | 0.575 | 38.48 |
2.0 | 23.83 | 0.443 | 30.15 |
2.5 | 21.28 | 0.383 | 26.12 |
3.0 | 19.54 | 0.352 | 24.07 |
表8 空气动力系数及导数
Table 8 Aerodynamic coefficients and derivatives
马赫数 | /(rad-1) | Cd0 | /(rad-2) |
---|---|---|---|
1.5 | 27.47 | 0.575 | 38.48 |
2.0 | 23.83 | 0.443 | 30.15 |
2.5 | 21.28 | 0.383 | 26.12 |
3.0 | 19.54 | 0.352 | 24.07 |
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