Hoàn thiện phương pháp dẫn tiếp cận tỉ lệ theo hướng bù các sai số động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

DOÃN VĂN MINH

HOÀN THIỆN PHƯƠNG PHÁP DẪN TIẾP CẬN TỈ LỆ

THEO HƯỚNG BÙ CÁC SAI SỐ ĐỘNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội – 2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

DOÃN VĂN MINH

HOÀN THIỆN PHƯƠNG PHÁP DẪN TIẾP CẬN TỈ LỆ

THEO HƯỚNG BÙ CÁC SAI SỐ ĐỘNG

Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển và Tự động hoá

Mã số : 62 52 02 16

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. TS – Vũ Hỏa Tiễn

2. TS – Nguyễn Hữu Sơn

Hà Nội - 2015

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,

kết quả trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố

trong bất kỳ công trình nào khác.

ii

LỜI CÁM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng cám ơn sâu sắc đến TS. Vũ Hỏa Tiễn, Phó Chủ nhiệm

Khoa Kỹ thuật Điều khiển - HVKTQS và TS. Nguyễn Hữu Sơn, Phó Chủ

nhiệm Bộ môn Tên lửa - Khoa KTĐK - HVKTQS đã tận tình chỉ bảo, hướng

dẫn tôi hoàn thành bản luận án này.

Tôi xin chân thành cám ơn các thầy giáo của Khoa Kỹ thuật Điều khiển đã

giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu.

Tôi xin chân thành cám ơn các cán bộ Phòng Sau đại học - HVKTQS đã

giúp đỡ tôi hoàn thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu.

iii

MỤC LỤC

Trang

Lời cam đoan .................................................................................................. i

Lời cám ơn.....................................................................................................ii

Mục lục .........................................................................................................iii

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt ............................................................ vi

Danh mục các hình vẽ và bảng biểu .............................................................. ix

Mở đầu........................................................................................................... 1

Cơ sở khoa học của bài toán nghiên cứu phương pháp dẫn ……………....3

Cơ sở thực tiễn của bài toán nghiên cứu phương pháp dẫn.……………....3

Phạm vi, đối tượng nghiên cứu của luận án……………………………….3

Mục đích nghiên cứu………………………………………………………4

Nội dung nghiên cứu của luận án …………………………………………4

Đánh giá tính thực tiễn, tính khoa học và đóng góp mới của luận án……..7

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TỰ DẪN VÀ PHÂN

TÍCH HẠN CHẾ CỦA PHƯƠNG PHÁP DẪN TỈ LỆ TRUYỀN THỐNG ... 9

1.1. Bài toán điều khiển tự dẫn.……………………...………………….....9

1.2. Tổng quan về các phương pháp tự dẫn điển hình…………………...12

1.2.1. Phương pháp dẫn thẳng………………………………………….16

1.2.2. Phương pháp dẫn đuổi…………………………………………...18

1.2.3. Phương pháp tiệm cận song song………………………………..22

1.2.4. Phương pháp tiếp cận tỉ lệ……………………………………….23

1.3. Phân tích những hạn chế của phương pháp dẫn tiếp cận tỉ lệ……….25

1.3.1. Những hạn chế của phương pháp dẫn tiếp cận tỉ lệ……………...26

1.3.2. Những bài toán cơ bản cần giải khi hoàn thiện phương pháp

dẫn tỷ lệ…….……………………………………………………30

1.4. Kết luận chương 1…………………………………………………...31

iv

Chương 2. ĐÁNH GIÁ NHỮNG ẢNH HƯỞNG CƠ BẢN ĐẾN YÊU CẦU

TẠO QUÁ TẢI CỦA PHƯƠNG PHÁP DẪN TỶ LỆ TRUYỀN

THỐNG…………………...............................................................................34

2.1. Khảo sát, đánh giá ảnh hưởng cơ động của mục tiêu đến hiệu quả

PPD tỉ lệ……………………………………………………………..35

2.1.1. Mô hình mục tiêu cơ động với gia tốc không đổi………………..43

2.1.2. Mô hình mục tiêu cơ động một phía……………………………..45

2.1.3. Mô hình mục tiêu cơ động kiểu con rắn…………………………48

2.2. Khảo sát đánh giá ảnh hưởng gia tốc dọc trục tên lửa đến hiệu

quả phương pháp tiếp cận tỉ lệ.............................................................50

2.3. Khảo sát đánh giá ảnh hưởng gia tốc trọng trường đến

hiệu quả phương pháp tiếp cận tỉ lệ....................................................55

2.4. Khảo sát đánh giá ảnh hưởng đồng thời sự cơ động của mục tiêu,

gia tốc dọc trục tên lửa và gia tốc trọng trường đến hiệu quả

phương pháp tiếp cận tỉ lệ..................................................................58

2.5. Kết luận chương 2...............................................................................61

Chương 3. HOÀN THIỆN PHƯƠNG PHÁP DẪN TIẾP CẬN TỈ LỆ

THEO HƯỚNG BÙ CÁC SAI SỐ ĐỘNG.....................................................62

3.1. Xây dựng phương pháp dẫn trong trường hợp mục tiêu không cơ

động....................................................................................................62

3.2. Xây dựng PPD tiếp cận tỉ lệ khi tính đến ảnh hưởng cơ động của

mục tiêu..............................................................................................73

3.3. Xây dựng PPD tiếp cận tỉ lệ khi tính đến ảnh hưởng của gia tốc dọc

trục tên lửa..........................................................................................79

3.4. Xây dựng PPD tiếp cận tỉ lệ khi tính đến ảnh hưởng của gia tốc trọng

trường.................................................................................................82

3.5. Tổng hợp luật dẫn tiếp cận tỷ lệ có bù sai số động.............................85

3.6. Giải pháp kỹ thuật hiện thực hóa PPD mới hoàn thiện.......................86

v

3.6.1. Tổng hợp bộ lọc tối ưu bám sát cự li tương đối và vận tốc

tiếp cận..........................................................................................87

3.6.2. Tổng hợp bộ lọc tối ưu gia tốc mục tiêu cơ động..........................93

3.7. Kết luận chương 3.............................................................................101

Chương 4. KHẢO SÁT ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ PHƯƠNG PHÁP DẪN

TIẾP CẬN TỈ LỆ KHI TÍNH ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC SAI SỐ

ĐỘNG...........................................................................................................102

4.1. Khảo sát đánh giá hiệu quả PPD tiếp cận tỉ lệ trước và sau hoàn

thiện..................................................................................................103

4.1.1. Mục đích......................................................................................103

4.1.2. Điều kiện tiến hành thực nghiệm.................................................103

4.1.3. Kết quả mô phỏng........................................................................104

4.1.3.1. Mục tiêu cơ động với gia tốc không đổi..............................104

4.1.3.2. Mục tiêu cơ động một phía..................................................109

4.2. Kết luận chương 4.............................................................................113

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ..............................................................115

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ .................................. 118

TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................... 119

PHỤ LỤC......................................................................................................125

Phụ lục 1. Các kết quả mô phỏng..............................................................126

Phụ lục 2. Các chương trình mô phỏng.....................................................144

Phụ lục 3. Tính quan sát được của các mô hình không gian trạng thái.....179

vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT

1. Danh mục các ký hiệu.

Dm - Cự li tương đối giữa mục tiêu – tên lửa.

Dm - Vận tốc tương đối giữa mục tiêu – tên lửa.

 - Góc nghiêng đường ngắm mục tiêu – tên lửa.

 p - Tốc độ quay góc đường ngắm.

Vmt - Vận tốc mục tiêu.

Vp - Vận tốc tên lửa.

V - Vận tốc tiếp cận TL - MT

 p - Góc nghiêng quỹ đạo tên lửa.

 mt - Góc nghiêng quỹ đạo mục tiêu

 p

 - Tốc độ góc nghiêng quỹ đạo tên lửa.

 mt  - Tốc độ góc nghiêng quỹ đạo mục tiêu.

p - Góc nghiêng trục dọc tên lửa.

mt - Góc nghiêng trục dọc mục tiêu.

Wx - Thành phần gia tốc dọc trục tên lửa.

Wmt - Thành phần gia tốc mục tiêu.

g - Gia tốc trọng trường

Wp

 - Thành phần gia tốc tên lửa vuông góc với đường ngắm TL – MT.

Wx

 - Thành phần gia tốc dọc trục vuông góc với đường ngắm TL – MT.

Wmt

 - Thành phần gia tốc mục tiêu vuông góc với đường ngắm TL – MT.

Wp - Thành phần gia tốc pháp tuyến tên lửa.

vii

Wmt - Thành phần gia tốc pháp tuyến mục tiêu.

h - Độ trượt tức thời.

 - Góc tấn công.

 - Góc trượt.

 - Góc hướng.

 - Góc đón.

z - Tín hiệu quan sát

x - Véc tơ trạng thái

u - Véc tơ tín hiệu vào tiền định

 - Tạp trắng Gause trung tâm, không tương quan

F - Ma trận chuyển trạng thái trong miền thời gian liên tục

 - Ma trận chuyển trạng thái trong miền thời gian rời rạc

B - Ma trận khuếch đại tín hiệu vào trong miền thời gian liên tục

H - Ma trận quan sát

xˆ - Ước lượng trạng thái của x

T A - Ma trận chuyển vị của ma trận A

K - Ma trận khuếch đại

D - Ma trận tương quan sai số hậu nghiệm

2. Danh mục các chữ viết tắt.

BĐH - Bộ định hướng

BĐKT - Bảo đảm kỹ thuật

CBTH - Cân bằng tín hiệu

CNTT - Công nghệ thông tin

CGCN - Chuyển giao công nghệ

ĐHH - Động hình học

ĐKTD - Điều khiển tự dẫn

ĐK – TBB - Điều khiển thiết bị bay

viii

ĐTD - Đầu tự dẫn

HTĐKTL - Hệ thống điều khiển tên lửa

HXĐTĐ - Hệ xác định toạ độ

KHKT - Khoa học kỹ thuật

MP - Một phía

MT - Mục tiêu

MTCĐ - Mục tiêu cơ động

NLR - Nhiên liệu rắn

PK - Phòng không

PPD - Phương pháp dẫn

QĐĐ - Quỹ đạo động

QĐMT - Quỹ đạo mục tiêu

QĐTL - Quỹ đạo tên lửa

QTMT - Quá tải mục tiêu

QTTL - Quá tải tên lửa

TBB - Thiết bị bay

TCTL - Tiếp cận tỉ lệ

TL - Tên lửa

TL – MT - Tên lửa – mục tiêu

TLĐH - Tên lửa đối hải

TLKQ - Tên lửa không quân

TLPK - Tên lửa phòng không

TLPKTD - Tên lửa phòng không tự dẫn

TLTD - Tên lửa tự dẫn

SSĐ - Sai số động

VĐK - Vòng điều khiển

VKTBKT - Vũ khí trang bị kỹ thuật

ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU

1. Danh mục các hình vẽ.

1.1 - Động hình học tự dẫn.

1.2 - Tương quan hình học khi tự dẫn.

1.3 - Tương quan ĐHH xác định độ trượt tức thời.

1.4 - Phương pháp dẫn thẳng khi: a)   0;b)   0

1.5 - Phương pháp dẫn thẳng khi   0 .

1.6 - Quỹ đạo phương pháp dẫn đuổi không đón.

1.7 - Quỹ đạo phương pháp dẫn đuổi góc đón không đổi.

1.8 - Phương pháp dẫn tiệm cận song song.

1.9 - QĐĐ khi:1-  0 ; 2-  0 ; 3-  0.

1.10 - Sơ đồ cấu trúc VĐK tự dẫn có bù sai số động theo trọng lượng

và gia tốc dọc trục.

2.1 - ĐHH tự dẫn giải thích sự quay đường ngắm.

2.2 - Cấu trúc VĐK kín tự dẫn theo phương pháp tiếp cận tỉ lệ.

2.3 - Quỹ đạo TL – MT dẫn theo phương pháp tiếp cận tỉ lệ với các

trường hợp mục tiêu cơ động.

2.4 - Quá tải TL dẫn theo phương pháp tiếp cận tỉ lệ với các trường

hợp mục tiêu cơ động.

2.5 - Quỹ đạo TL – MT dẫn theo phương pháp tiếp cận tỉ lệ với các

trường hợp mục tiêu cơ động với gia tốc không đổi.

2.6 - Quá tải TL dẫn theo phương pháp tiếp cận tỉ lệ với các trường

hợp mục tiêu cơ động với gia tốc không đổi.

2.7 - Quỹ đạo TL – MT dẫn theo phương pháp tiếp cận tỉ lệ với các

trường hợp mục tiêu cơ động dạng một phía.

2.8 - Quá tải TL dẫn theo phương pháp tiếp cận tỉ lệ với các trường

hợp mục tiêu cơ động dạng một phía.

x

2.9 - Quỹ đạo TL – MT dẫn theo phương pháp tiếp cận tỉ lệ với các

trường hợp mục tiêu cơ động dạng một phía.

2.10 - Quá tải TL dẫn theo phương pháp tiếp cận tỉ lệ với các trường

hợp mục tiêu cơ động dạng một phía.

2.11 - Quỹ đạo TL – MT dẫn theo phương pháp tiếp cận tỉ lệ với các

trường hợp mục tiêu cơ động dạng con rắn.

2.12 - Quá tải TL dẫn theo phương pháp tiếp cận tỉ lệ với các trường

hợp mục tiêu cơ động dạng con rắn

2.13 - Động hình học tự dẫn khi tính đến tham số gia tốc dọc trục

2.14 - Quỹ đạo TL – MT dẫn theo phương pháp tiếp cận tỉ lệ với các

trường hợp gia tốc dọc trục tên lửa.

2.15 - Quá tải TL dẫn theo phương pháp tiếp cận tỉ lệ với các trường

gia tốc dọc trục tên lửa.

2.16 - Động hình học tự dẫn.

2.17 - Quỹ đạo TL – MT dẫn theo phương pháp tiếp cận tỉ lệ khi tính

đến gia tốc trọng trường.

2.18 - Quá tải TL dẫn theo phương pháp tiếp cận tỉ lệ khi tính đến

ảnh hưởng của gia tốc trọng trường.

2.19 - Quỹ đạo TL – MT dẫn theo phương pháp tiếp cận tỉ lệ khi tính

đến các tham số ảnh hưởng.

2.20 - Quá tải TL dẫn theo phương pháp tiếp cận tỉ lệ với các trường

hợp MTCĐ và gia tốc dọc trục tên lửa, gia tốc trọng trường.

3.1 - Cấu trúc ĐHH tuyến tính trong tự dẫn.

3.2 - Sơ đồ cấu trúc bộ tọa độ góc mục tiêu tối ưu.

4.1 - Sơ đồ cấu trúc vòng điều khiển tự dẫn theo phương pháp tiếp

cận tỉ lệ khi tính đến các thành phần bù.

xi

4.2 - Quỹ đạo TL dẫn bằng PPD tiếp cận tỉ lệ trong 2 trường hợp

không bù và có bù sai số động.

4.3 - Quá tải TL dẫn bằng PPD tiếp cận tỉ lệ trong 2 trường hợp

không bù và có bù sai số động.

4.4 - Quỹ đạo TL dẫn bằng PPD tiếpcận tỉ lệ trong 2 trường hợp

không bù và có bù sai số động.

4.5 - Quá tải TL dẫn bằng PPD tiếp cận tỉ lệ trong 2 trường hợp

không bù và có bù sai số động.

2. Danh mục các bảng biểu.

4.1 - Độ trượt tức thời TL-MT khi mục tiêu cơ động với gia tốc 1g

4.2 - Độ trượt tức thời TL-MT khi mục tiêu cơ động với gia tốc 2g

4.3 - Độ trượt tức thời TL-MT khi mục tiêu cơ động với gia tốc 3g

4.4 - Độ trượt tức thời TL-MT khi mục tiêu cơ động với gia tốc 4g

4.5 - Độ trượt tức thời khi Wmt=1g

4.6 - Độ trượt tức thời khi Wmt=2g

4.7 - Độ trượt tức thời khi Wmt=3g

4.8 - Độ trượt tức thời khi Wmt=4g

1

MỞ ĐẦU

Dựa trên cơ sở phát triển của khoa học - công nghệ nói chung, khoa học

– công nghệ hàng không nói riêng, hiện nay ở nhiều quốc gia đã có sự phát

triển vượt bậc trong lĩnh vực công nghiệp sản xuất vũ khí, khí tài quân sự.

Hiện có nhiều dự án tập trung nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các loại phương

tiện tập kích đường không mới với những tính năng vượt trội, như các loại

máy bay chiến đấu thế hệ 4++, thế hệ 5 của Nga, Mỹ, Trung Quốc,… đã được

thực hiện, thử nghiệm và đạt hiệu quả cao.

Các tính năng của phương tiện tập kích đường không được chú ý phát triển

là khả năng cơ động, tốc độ bay và khả năng chống nhiễu tác chiến điện tử.

Bên cạnh đó, các hệ thống trinh sát, phát hiện, gây nhiễu cho các hệ

thống tên lửa phòng không (TLPK) cũng được phát triển mạnh mẽ và gây ra

nhiều khó khăn cho việc điều khiển tên lửa trong quá trình dẫn đến mục tiêu.

Để có thể tiêu diệt được các loại phương tiện tập kích đường không hiện

đại bằng hệ thống TLPK cần phải giải quyết các vấn đề then chốt sau [26]:

+ Cải thiện khả năng cơ động của tên lửa bằng cách ứng dụng các

phương pháp tạo lực và mômen điều khiển mới;

+ Tăng khả năng chống nhiễu bằng các giải pháp kỹ thuật như: sử dụng

tự dẫn thụ động, hạn chế tối đa thời gian làm việc của đầu tự dẫn tích cực…

+ Tăng tốc độ và độ chính xác xử lý thông tin trên khoang nhờ ứng dụng

phương tiện tính toán số tốc độ cao;

+ Tối ưu hóa quỹ đạo bay của tên lửa bằng các phương pháp dẫn mới.

Cùng với việc cải thiện khả năng cơ động của TLPK, các giải pháp tối ưu

hóa quỹ đạo bay cũng góp phần đáng kể tăng hiệu quả tiêu diệt mục tiêu. Hầu

hết các giải pháp tối ưu hóa quỹ đạo bay của TLPK đều tập trung vào hai

hướng [26]: nghiên cứu các thuật toán dẫn mới và hoàn thiện các thuật toán

2

đã có.

Đối với lớp TLPK tự dẫn, các phương pháp hiện nay chủ yếu là các

phương pháp dẫn truyền thống như phương pháp dẫn thẳng, dẫn đuổi và dẫn

tiếp cận tỉ lệ. Trong ba phương pháp này, phương pháp tiếp cận tỉ lệ được sử

dụng rộng rãi và có nhiều ưu điểm hơn cả [2], [6], [18], [26], [27], [49].

Phương pháp dẫn tiếp cận tỉ lệ có ưu điểm là độ chính xác dẫn cao đối với

các loại mục tiêu có khả năng cơ động thấp, quỹ đạo tên lửa được nắn thẳng khi

tiếp cận mục tiêu. Bên cạnh đó phương pháp dẫn tiếp cận tỉ lệ áp dụng cho tên

lửa không quân (TLKQ) tiêu diệt các mục tiêu trên không, có ưu điểm hơn so

với các phương pháp còn lại là có thể bắn được mục tiêu ở cả bán cầu trước lẫn

bán cầu sau [2], [6].

Tuy nhiên, phương pháp dẫn tiếp cận tỉ lệ không phải không có nhược

điểm, phương pháp này rất nhạy cảm với sự cơ động của mục tiêu [2,tr177].

Do đó, hiệu quả phương pháp dẫn tiếp cận tỉ lệ giảm đáng kể khi bắn các mục

tiêu có khả năng cơ động cao như các loại mục tiêu hiện đại đã nêu.

Để tiêu diệt được các mục tiêu hàng không hiện đại ngoài việc áp dụng các

phương pháp tạo lực và mômen điều khiển mới như điều khiển gaz động… ta

cần phải nghiên cứu cải thiện phương pháp dẫn tiếp cận tỉ lệ bằng việc bổ sung

thêm các thành phần lượng bù do sai số động trọng lượng [2,tr171], sai số động

do gia tốc dọc trục tên lửa [2,tr175] và sai số động do sự cơ động của mục tiêu

[2,tr177]. Đây là những thành phần gây sai số đáng kể cho phương pháp dẫn tỷ

lệ, đặc biệt là trong những trường hợp mục tiêu cơ động cao.

Xuất phát từ những vấn đề nêu trên, bài toán “Hoàn thiện phương pháp

dẫn tiếp cận tỉ lệ theo hướng bù các sai số động ” được đặt ra với mục đích xây

dựng một phương pháp dẫn cho TLPK hoặc TLKQ tự dẫn có tính thêm các

thành phần sai số động do trọng lượng, do gia tốc dọc trục tên lửa và do sự cơ

động của mục tiêu trong toàn bộ quá trình tự dẫn, nhằm nâng cao độ chính xác