Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
LUẬT DẪN TỐI ƯU TÊN LỬA THEO ĐA CHỈ TIÊU<br />
CHẤT LƯỢNG KHI BẮN MỤC TIÊU CƠ ĐỘNG<br />
Phạm Trung Dũng1, Phạm Xuân Phang1, Nguyễn Trọng Hà2*<br />
Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả tổng hợp luật dẫn cho tên lửa trên cơ sở lý<br />
thuyết điều khiển tối ưu thỏa mãn đồng thời các chỉ tiêu là độ trượt và tiết kiệm<br />
năng lượng. Tiến hành mô phỏng, phân tích, so sánh với luật dẫn tiệm cận tỉ lệ<br />
truyền thống trong các tình huống bắn mục tiêu cơ động. Các kết quả nhận được<br />
chứng tỏ ưu điểm vượt trội của luật dẫn mới.<br />
Tõ khãa: Tên lửa, Tối ưu, Luật dẫn.<br />
<br />
1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br />
Luật dẫn tên lửa được hiểu là phương trình liên hệ giữa gia tốc pháp tuyến của tên lửa<br />
với các tham số chuyển động của tên lửa và mục tiêu trong quá trình dẫn. Theo luật dẫn đã<br />
chọn hệ lập lệnh trên tên lửa (hoặc trên đài điều khiển) sẽ tạo ra các lệnh điều khiển tên lửa<br />
chuyển động theo quĩ đạo mong muốn. Do các tham số mục tiêu luôn thay đổi, tên lửa có<br />
thể điều khiển được, cho nên số lượng luật dẫn là không hạn chế [1,3,7]. Tuy nhiên, để<br />
đảm bảo tiêu diệt mục tiêu hiệu quả nhất, các luật dẫn tên lửa được tổng hợp cần phải thoả<br />
mãn nhiều chỉ tiêu chất lượng khác nhau, trong đó bảo đảm độ trượt và tiết kiệm năng<br />
lượng trong trường hợp bắn mục tiêu cơ động là những chỉ tiêu đặc biệt quan trọng. Luật<br />
dẫn tiệm cận tỉ lệ đã và đang được ứng dụng phổ biến nhất trong hầu hết các tên lửa chiến<br />
thuật. Nó có ưu điểm là độ chính xác cao, thực hiện đơn giản và là luật dẫn tối ưu trong trường<br />
hợp mục tiêu không cơ động hoặc cơ động với cường độ thấp [7]. Trong trường hợp mục tiêu<br />
cơ động với cường độ cao, luật dẫn này tỏ ra kém hiệu quả [3,4,7,8]. Nghiên cứu ứng dụng lý<br />
thuyết điều khiển tối ưu để tổng hợp các luật dẫn tên lửa là xu hướng đã và đang rất được quan<br />
tâm trong thời gian gần đây. Đã có nhiều nghiên cứu nhằm xây dựng, phát triển các luật dẫn<br />
bảo đảm bắn mục tiêu cơ động [7,8]. Tuy nhiên, các luật dẫn này thường không chú ý một<br />
cách đồng thời nhiều chỉ tiêu chất lượng nên phạm vi ứng dụng còn hạn chế [8]. Bởi vậy,<br />
nghiên cứu, xây dựng luật dẫn tối ưu bảo đảm đa chỉ tiêu chất lượng là hướng mới đang rất<br />
được quan tâm. Hơn thế nữa, các kết quả nghiên cứu về lĩnh vực này hiện rất ít được công bố<br />
công khai hoặc công bố rất sơ lược.<br />
Bài báo này sẽ trình bày kết quả nghiên cứu xây dựng luật dẫn tối ưu theo độ trượt và<br />
tiết kiệm năng lượng. Khảo sát đánh giá, so sánh với luật dẫn tiệm cận tỉ lệ truyền thống<br />
trong một số tình huống cơ động điển hình của mục tiêu.<br />
2. TỔNG HỢP LUẬT DẪN TÊN LỬA<br />
TỐI ƯU THEO ĐỘ TRƯỢT VÀ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG<br />
Giả thiết luật dẫn tối ưu được tổng hợp cho lớp các tên lửa phòng không tự dẫn có quá<br />
tải tên lửa cực đại là nTLmax 20 g , nghĩa là:<br />
<br />
nTLmax khi nTL nTLmax<br />
<br />
nTL nTL khi nTLmax nTL nTLmax (1.1)(1)<br />
n khi nTL nTLmax<br />
TLmax<br />
Biểu diễn quan hệ động hình học tên lửa-mục tiêu trong mặt phẳng như trên hình 1.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 42, 04 - 2016 3<br />
Tên lửa & Thiết bị bay<br />
<br />
W MT <br />
W MT<br />
V MT <br />
V MT<br />
W TL<br />
MT<br />
X<br />
Y Mục tiêu<br />
<br />
V TL<br />
D<br />
W TL V TL<br />
φ TL<br />
Tên lửa<br />
Hình 1. Động hình học tự dẫn.<br />
Các tham số trong hình 1 được định nghĩa như sau:<br />
<br />
θTL: Góc nghiêng quỹ đạo tên lửa; θMT: Góc nghiêng quỹ đạo mục tiêu; V TL : Vận tốc<br />
<br />
tên lửa; V MT : Vận tốc mục tiêu; W TL : Gia tốc tên lửa; W MT : Gia tốc mục tiêu; W TL :<br />
<br />
Thành phần gia tốc tên lửa vuông góc với đường ngắm; W MT : Thành phần gia tốc mục<br />
tiêu vuông góc với đường ngắm; D: Cự ly nghiêng tên lửa-mục tiêu; : Góc đường ngắm<br />
tên lửa-mục tiêu so với mặt phẳng ngang.<br />
Từ hình 1 chúng ta có:<br />
D VMT cos MT VTL cos TL <br />
(2)<br />
D VMT sin MT VTL sin TL <br />
Lấy đạo hàm phương trình thứ hai của hệ (2), kết hợp với phương trình thứ nhất của hệ<br />
(2) và thay ; ta được:<br />
<br />
D D VMT sin MT VMT MT cos MT <br />
VTL sin TL VTLTL cos TL D (3)<br />
Mà:<br />
VMT sin MT VMT MT cos MT WMT<br />
<br />
(4)<br />
V sin V cos W <br />
TL TL TL TL TL TL (5)<br />
Nên ta có thể viết lại (3) như sau:<br />
WTL WMT<br />
<br />
2 D D (6)<br />
Khi tổng hợp các luật dẫn cho tên lửa trên cơ sở ứng dụng lý thuyết điều khiển tối ưu,<br />
hàm chỉ tiêu chất lượng thường được chọn dưới dạng [2, 3, 5, 6, 9]:<br />
tg<br />
1 2 <br />
J Kh (t g ) WTL 2 (t )dt min (7)<br />
2 <br />
0 <br />
Trong đó, K là hệ số không đổi và được gọi là hệ số trọng lượng. Thành phần đầu tiên<br />
của (7) là độ trượt, thành phần thứ hai của (7) là năng lượng bỏ ra trong quá trình bay. Với<br />
K lớn thì sẽ đạt được chỉ tiêu về độ trượt nhỏ, còn với K nhỏ thì năng lượng bỏ ra cho tới<br />
<br />
<br />
4 P.T. Dũng, P.X. Phang, N.T. Hà, “Luật dẫn tối ưu tên lửa… bắn mục tiêu cơ động.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
khi kết thúc quá trình bay là tối thiểu. Như vậy để đảm bảo độ trượt bằng không thì chọn<br />
K , còn để đảm bảo năng lượng tối thiểu thì K 0 .<br />
Theo các tài liệu tham khảo số [1,3,7], độ trượt tức thời h t D 2 Vtc , phụ thuộc<br />
vào D 2 và ω. Bản chất của luật dẫn tiệm cận tỉ lệ là gia tốc pháp tuyến của tên lửa tỉ lệ với<br />
tốc độ quay đường ngắm . Với mục đích tổng hợp luật dẫn đảm bảo đồng thời độ<br />
trượt giảm về không và tiết kiệm năng lượng, theo tài liệu tham khảo số [2,3], có thể chọn<br />
hàm chỉ tiêu chất lượng có dạng như sau:<br />
tg tg<br />
<br />
J F , D, t dt 2 D 2 1 2 D 2 dt min (8)<br />
0 0<br />
<br />
Trong đó α là trọng số và có giá trị từ 0 đến 1.<br />
2 đảm<br />
Hàm chỉ tiêu chất lượng (8) gồm có 2 thành phần. Thành phần đầu tiên 2 D<br />
bảo năng lượng tối thiểu, thành phần thứ hai 1 2 D 2 đảm bảo độ trượt nhỏ nhất.<br />
Việc thay đổi trọng số sẽ điều chỉnh các thành phần trong hàm chỉ tiêu chất lượng (8).<br />
Các điều kiện biên:<br />
(0) 0 ; D(0) D0 ( 0 là tốc độ đường ngắm tên lửa-mục tiêu ban đầu; D0 là<br />
khoảng cách ban đầu giữa tên lửa và mục tiêu).<br />
(t g ) 0 (tốt nhất là bằng không); D(tg)=0.<br />
Giải bài toán tối ưu bằng phương pháp Euler-Lagrange ta tìm được tốc độ góc đường<br />
ngắm tên lửa-mục tiêu yêu cầu (đảm bảo (8) là tối thiểu):<br />
1 m<br />
D 2 D m <br />
0 1 td (9)<br />
D0 D <br />
<br />
Với: m 1 4 / 1 ; Dtd là bán kính sát thương của đầu đạn tên lửa.<br />
Gia tốc góc đường ngắm tên lửa-mục tiêu:<br />
m 1<br />
1 m 0Vtc D 2<br />
(10)<br />
2 D D0 <br />
vào (6) ta được:<br />
Thay , và Vtc D<br />
m 1<br />
<br />
1 m <br />
D 2 <br />
WTL WMT<br />
<br />
2 0 Vtc (11)<br />
2 D<br />
0 <br />
<br />
Phương trình (11) là phương trình luật dẫn tối ưu tên lửa mới đảm bảo hàm chỉ tiêu<br />
chất lượng (8) là tối thiểu.<br />
Ý nghĩa của trọng số α là tăng mạnh ở giai đoạn đầu của quá trình dẫn, đồng nghĩa với<br />
sự tăng mạnh của quá tải tên lửa. Điều này giúp cho tên lửa có thể bám sát được mục tiêu<br />
cơ động tốt hơn. Còn khi tên lửa tiếp cận gần đến mục tiêu, trọng số α hầu như không<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 42, 04 - 2016 5<br />
Tên lửa & Thiết bị bay<br />
<br />
tăng, tương ứng với việc giảm sai số dẫn. Do đó, bài toán đặt ra là phải tìm giá trị không<br />
đổi của trọng số α đảm bảo sai số dẫn nhỏ nhất nhưng đồng thời giá trị quá tải tên lửa<br />
không vượt quá giá trị cho phép. Để thực hiện được việc này, đầu tiên ta sẽ tính quá tải tên<br />
lửa trung bình theo Vtc, sau đó tính toán giá trị quá tải này trung bình theo hệ số α. Cuối<br />
cùng ta sẽ tìm được giá trị không đổi của α theo công thức:<br />
WTL m 3 m 1 D 0Vtc<br />
nTL nMT 1 ln (12)<br />
g 2 2 D0 g<br />
Trong đó g là gia tốc trọng trường.<br />
Để giải được bài toán này ta cần chọn các thông số của tên lửa và mục tiêu theo những<br />
điều kiện cụ thể trong thực tế. Giả sử ta chọn như sau:<br />
nMT nMT 4,5 ; D0=15000(m); Vtc=(200÷800)m/s; ω0=0,02.<br />
Quá tải trung bình của tên lửa theo Vtc được tính như sau:<br />
m 3 m 1 D <br />
nTL (Vtc ) 2700 1530, 6122 1 ln (13)<br />
2 2 D0 <br />
Tương tự ta có quá tải tên lửa nTL (Vtc ) theo α:<br />
max<br />
m 3 m 1 D <br />
nTL (Vtc , ) 2700 1530, 6122 1 ln d (14)<br />
min 2 2 D0 <br />
<br />
Để tích phân (14) xác định ta chọn giá trị của α trong khoảng (0,01÷ 0,99). Giá trị của<br />
(15) phụ thuộc vào khoảng cách giữa tên lửa và mục tiêu D. Nếu ta tính trên toàn bộ quá<br />
trình dẫn (D=15000(m)) thì ta được:<br />
nTL (Vtc , ) 7,1987 (15)<br />
<br />
Giá trị này nhỏ hơn nTLmax 20 g , nên ta chọn nTL nTL (Vtc , ) 7,1987 .<br />
<br />
Từ (12) với nTL 7,1987 ta tính được giá trị của α tùy theo giá trị Vtc. Giả sử<br />
Vtc=450(m/s) thì α=0,75070.<br />
3. KHẢO SÁT HIỆU QUẢ BẮN MỤC TIÊU CƠ ĐỘNG CỦA<br />
LUẬT DẪN MỚI TỔNG HỢP<br />
Để đánh giá hiệu quả luật dẫn tối ưu tên lửa mới tổng hợp được (OGLα) (11) so với<br />
luật dẫntiệm cận tỉ lệ truyền thống (PN) [7] khi bắn mục tiêu cơ động, chúng tôi tiến hành<br />
mô phỏng trên máy tính. Điều kiện mô phỏng (tình huống trên không) trên mặt phẳng<br />
đứng của hai luật dẫn hoàn toàn giống nhau. Tiến hành khảo sát các đặc trưng quĩ đạo của<br />
tên lửa theo các luật dẫn trong các tình huống như: Mục tiêu không cơ động và mục tiêu<br />
bay bằng chuyển cơ động với các gia tốc khác nhau.<br />
Kí hiệu: RTL: Cự li từ gốc tọa độ đến tên lửa; RMT: Cự li từ gốc tọa độ đến mục tiêu.<br />
Chọn các thông số mô phỏng ban đầu như sau:<br />
VTL=900(m/s), N=3; RTLX=0(m); RTLY=10000(m); VMT=450(m/s); RMTX=15000(m);<br />
RMTY=11000(m).<br />
Mục tiêu đang bay bằng chuyển cơ động ở cự ly ngang RMTX=13000(m).<br />
<br />
<br />
<br />
6 P.T. Dũng, P.X. Phang, N.T. Hà, “Luật dẫn tối ưu tên lửa… bắn mục tiêu cơ động.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
3.1. Khi mục tiêu không cơ động<br />
<br />
Giả thiết mục tiêu không cơ động WMT 0 (m/s2). Kết quả mô phỏng thể hiện trên hình<br />
2, 3, 4 và bảng 1.<br />
Bảng 1. Kết quả mô phỏng khi mục tiêu không cơ động.<br />
TT Tình huống mục tiêu Luật dẫn D(tg) [m] tg [s]<br />
1 PN 0,3150 16,5055<br />
WMT 0 m/s2<br />
2 OGLα 0,1114 16,5050<br />
<br />
Kết quả cho mô phỏng cho thấy, hai luật dẫn PN và OGLα gần như trùng nhau với độ<br />
trượt và quá tải tên lửa tức thời xấp xỉ bằng không.<br />
3.2. Khi mục tiêu cơ động<br />
Trường hợp mục tiêu đang bay bằng chuyển cơ động tăng độ cao<br />
<br />
Giả thiết mục tiêu cơ động tăng độ cao với gia tốc WMT 90 (m/s2). Kết quả mô phỏng<br />
thể hiện trên hình 5, 6, 7 và bảng 2.<br />
Bảng 2. Kết quả mô phỏng khi mục tiêu cơ động tăng độ cao.<br />
TT Tình huống mục tiêu Luật dẫn D(tg) [m] tg [s]<br />
1 2 PN 19,6031 18,9594<br />
WMT 90 m/s<br />
2 OGLα 5,0630 18,8867<br />
<br />
Trường hợp mục tiêu đang bay bằng chuyển cơ động bổ nhào<br />
<br />
Giả thiết mục tiêu cơ động bổ nhào với gia tốc: WMT 30 (m/s2). Kết quả mô phỏng<br />
thể hiện trên hình 8, 9, 10 và bảng 3.<br />
<br />
Bảng 3. Kết quả mô phỏng khi mục tiêu cơ động với WMT 30m / s 2 .<br />
TT Tình huống mục tiêu Luật dẫn D(tg) [m] tg [s]<br />
1 2 PN 4,1790 17,0197<br />
W MT 30 m/s<br />
2 OGLα 1,3064 16,2051<br />
<br />
Trường hợp mục tiêu cơ động với gia tốc thay đổi<br />
Giả thiết gia tốc được xác định như sau:<br />
<br />
WMT 10(m / s 2 ) khi RMTX 13000(m)<br />
2<br />
WMT 70(m / s ) khi RMTX 13000(m)<br />
<br />
Kết quả mô phỏng được thể hiện trên hình 11, 12, 13 và bảng 4.<br />
Bảng 4. Kết quả mô phỏng khi mục tiêu cơ động với gia tốc thay đổi.<br />
TT Tình huống mục tiêu Luật dẫn D(tg) [m] tg [s]<br />
1 PN 15,1435 17,752<br />
WMT thay đổi<br />
2 OGLα 3,0823 17,744<br />
Kết quả mô phỏng cho thấy, cả hai luật dẫn đều có thể đưa tên lửa đến gặp mục tiêu.<br />
Độ trượt tại điểm gặp của luật dẫn OGL nhỏ hơn so với luật dẫn PN. Quỹ đạo tên lửa khi<br />
thực hiện dẫn theo luật dẫn OGLα thẳng hơn so với quỹ đạo tên lửa khi dẫn bằng luật dẫn<br />
PN. Quá tải tên lửa luật dẫn PN tăng mạnh theo mức độ cơ động của mục tiêu đặc biệt khi<br />
<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 42, 04 - 2016 7<br />
Tên lửa & Thiết bị bay<br />
<br />
mục tiêu cơ động với cường độ lớn (9g) thì quá tải tên lửa luật dẫn tối ưu OGLα giảm<br />
mạnh về không nhất là trong giai đoạn dẫn cuối.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 2. Quỹ đạo tên lửa-mục tiêu Hình 3. Độ trượt tức thời khi<br />
khi mục tiêu không cơ động. mục tiêu không cơ động.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 5. Quỹ đạo tên lửa-mục tiêu Hình 4. Quá tải tức thời tên lửa khi<br />
<br />
khi mục tiêu cơ động với WMT 90m / s 2 . mục tiêu không cơ động.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 6. Độ trượt tức thời khi Hình 7. Quá tải tức thời tên lửa khi<br />
<br />
mục tiêu cơ động với WMT 90m / s 2 . <br />
mục tiêu cơ động với WMT 90m / s 2 .<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 8. Quỹ đạo tên lửa-mục tiêu Hình 9. Độ trượt tức thời khi<br />
khi mục tiêu cơ động bổ nhào. mục tiêu cơ động bổ nhào.<br />
<br />
<br />
8 P.T. Dũng, P.X. Phang, N.T. Hà, “Luật dẫn tối ưu tên lửa… bắn mục tiêu cơ động.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 11. Quỹ đạo tên lửa-mục tiêu Hình 10. Quá tải tức thời tên lửa khi<br />
<br />
khi mục tiêu cơ động với WMT thay đổi. mục tiêu cơ động bổ nhào.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 12. Độ trượt tức thời khi Hình 13. Quá tải tức thời tên lửa khi<br />
<br />
mục tiêu cơ động với WMT thay đổi. mục tiêu cơ động với WMT thay đổi.<br />
4. KẾT LUẬN<br />
Khác với các luật dẫn tối ưu tên lửa chỉ được tổng hợp theo một tiêu chí nhất định, bài<br />
báo đã trình bày việc tổng hợp một luật dẫn tối ưu tên lửa thỏa mãn đồng thời hai tiêu chí<br />
là độ trượt và tiết kiệm năng lượng. Đã xác định giá trị trọng số α không đổi nhằm đảm<br />
bảo đồng thời hai tiêu chí trên. Kết quả mô phỏng đã chứng tỏ luật dẫn OGLα có những ưu<br />
điểm nổi trội so với luật dẫn truyền thống PN trong các trường hợp mục tiêu cơ động như:<br />
Độ trượt nhỏ, ít nhạy cảm với sự cơ động của mục tiêu, quá tải tên lửa nhỏ và giảm về<br />
không tại lân cận điểm gặp. Trong trường hợp mục tiêu cơ động nhanh (9g) thì quá tải đòi<br />
hỏi cực đại của luật dẫn cũng chỉ nhỏ hơn nTLmax 20 g (hình 7).<br />
<br />
TÀI LIỆU THAM KHẢO<br />
[1]. Lê Anh Dũng, Nguyễn Hữu Độ, Huỳnh Lương Nghĩa, “Lý thuyết bay và hệ thống<br />
điều khiển tên lửa phòng không”, Học viện Kỹ thuật quân sự, 1999.<br />
[2]. Phạm Trung Dũng, Vũ Xuân Đức, “Cơ sở điều khiển tối ưu trong các hệ thống kỹ<br />
thuật”, Nhà xuất bản quân đội nhân dân, 2012.<br />
[3]. А.И. Канащенкова, В.И. Меркулова, “Авиационные системы<br />
радиоуправления”, Мoсква Том 1, 2, 3, 2003.<br />
[4]. George M.Siouris, “Missle guidance and control systems”. 2003.<br />
[5]. Hexner, G.; Shima, T.; Weiss, H., “LQC guidance law with bounded acceleration<br />
command”, Aerospace and Electronic Systems, IEEE Transactions on, Volume: 44,<br />
pp. 77-86, 2008.<br />
[6]. Li, Ran; Xia, Qunli; Wen, Qiuqiu, “Extended optimal guidance law with impact<br />
angle and acceleration constriants”, Systems Engineering and Electronics, Volume:<br />
25, pp. 868-876, 2014.<br />
<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 42, 04 - 2016 9<br />
Tên lửa & Thiết bị bay<br />
<br />
[7]. Paul Zarchan, “Tactical and strategic missile guidance”, Sixth edition, 2012.<br />
[8]. S.Vathsal, A.K. Sarkar, “Current Trends in Tactical Missile Guidance”, Defence<br />
Science Journal, Vol.55, No.2, pp.265-280, 2005.<br />
[9]. Xu Youcheng; Long Huabao, “Joint optimal design of missile guidance and control law for<br />
minimizing miss distance”, Control Conference (CCC), 32nd Chinese, pp. 5640-5643,<br />
2013.<br />
ABSTRACT<br />
THE OPTIMAL MISSILE GUIDANCE LAW BASED ON THE<br />
MULTI-PERFORMANCE CRITERIA AGAINST MANEUVERING TARGETS<br />
In this paper, the missile guidance law is synthesized based on the optimal<br />
control theory. The performance criteria are the miss distance and the minimum<br />
energy. Simulation results are compared with the traditional guidance law -<br />
Proportional Navigation in the case of maneuvering targets. The new missile<br />
guidance law has demonstrated the advantages in the aerial engagements.<br />
Keywords: Missile, Optimal, Guidance law.<br />
<br />
Nhận bài ngày 04 tháng 11 năm 2015<br />
Hoàn thiện ngày 12 tháng 4 năm 2016<br />
Chấp nhận đăng ngày 20 tháng 4 năm 2016<br />
<br />
1<br />
Địa chỉ: Học viện Kỹ thuật quân sự<br />
2<br />
Học viện Phòng không-Không quân<br />
*<br />
Email: nguyentrongha.tdh@gmail.com<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
10 P.T. Dũng, P.X. Phang, N.T. Hà, “Luật dẫn tối ưu tên lửa… bắn mục tiêu cơ động.”<br />