范作娥,顧文錦,姜 鵬,馬培蓓
(1.海軍航空工程學(xué)院 控制工程系,山東 煙臺 264001;2.91065 部隊,遼寧 葫蘆島 125001)
隨著艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的不斷發(fā)展,反艦導(dǎo)彈的突防問題變得越來越重要。為了增加對反艦導(dǎo)彈的攔截難度,提高反艦導(dǎo)彈的突防能力,反艦導(dǎo)彈需要進(jìn)行末端機(jī)動。關(guān)于反艦導(dǎo)彈末端機(jī)動的控制與導(dǎo)引方法研究,以及各種機(jī)動方式的研究,國內(nèi)外已經(jīng)有相關(guān)的公開發(fā)表文獻(xiàn)[1-5]。相應(yīng)地,針對反艦導(dǎo)彈各種機(jī)動方式的突防效果的評估,也越來越受到學(xué)者們的關(guān)注。文獻(xiàn)[4]以突防概率作為評價標(biāo)準(zhǔn),研究了突防導(dǎo)彈作正弦擺動突防機(jī)動時的突防效果。文獻(xiàn)[5]利用共軛系統(tǒng)和拉氏變換技術(shù),研究了反艦導(dǎo)彈的螺旋機(jī)動和擺式機(jī)動的突防效果。這些文獻(xiàn)大多是應(yīng)用伴隨技術(shù),針對兩維平面內(nèi)導(dǎo)彈與目標(biāo)之間的相對運(yùn)動方程,通過求解攔截導(dǎo)彈的脫靶量解析解,研究機(jī)動突防持續(xù)時間對穩(wěn)態(tài)脫靶量的影響,從而進(jìn)一步研究對導(dǎo)彈突防概率有多大貢獻(xiàn)。但是,用伴隨技術(shù)來研究反艦導(dǎo)彈末端機(jī)動對突防概率有多大影響的時候,考慮到的實際對抗條件比較少,而且不能比較不同的末端機(jī)動方式之間,哪種方式最好。
本文就是從工程應(yīng)用的角度出發(fā),在考慮盡可能多的實際影響因素的條件下,針對反艦導(dǎo)彈在有艦空導(dǎo)彈攔截的情況下,進(jìn)行全彈道打靶仿真,采用蒙特卡洛法計算反艦導(dǎo)彈在不同機(jī)動方式下(含蛇行機(jī)動、擺式機(jī)動、螺旋機(jī)動)的突防概率,從而比較各種機(jī)動方式的優(yōu)劣。當(dāng)反艦導(dǎo)彈進(jìn)行末端機(jī)動之前,其控制系統(tǒng)的設(shè)計采用的是過載控制方法[6-7],在末端機(jī)動開始之后,采用的是過載控制與位置控制結(jié)合的復(fù)合控制方法[8]。
反艦導(dǎo)彈末端機(jī)動一體化控制的原理主要是,在導(dǎo)彈進(jìn)行末端機(jī)動的時候,同時引入過載控制與位置控制,分別將它們作為宏觀與微觀的控制手段。在宏觀上,過載控制預(yù)先給定了運(yùn)動的趨勢;在微觀上,由位置反饋形成閉合系統(tǒng),消除位置上細(xì)小的偏差。這樣的復(fù)合控制手段在仿真中取得了單獨(dú)過載控制與單獨(dú)位置控制均無法達(dá)到的控制效果,并且魯棒性比較強(qiáng)[8]。
末端機(jī)動軌跡是導(dǎo)彈質(zhì)心相當(dāng)于地面坐標(biāo)系OXYZ的運(yùn)動軌跡,通常是根據(jù)飛行的距離x 進(jìn)行控制的,即以變量x為參數(shù),此時,描述末端機(jī)動軌跡的位置參數(shù)方程形式為:
根據(jù)制導(dǎo)理論,在攔截前的恰當(dāng)時間如果目標(biāo)實施最大加速度機(jī)動,就能夠產(chǎn)生足夠大的脫靶量。通常,目標(biāo)是不知道攔截導(dǎo)彈系統(tǒng)參數(shù)的,也不知道攔截時間,那么周期性的機(jī)動加速度是目標(biāo)的一種最佳生存策略。本文用到的非平面機(jī)動方式(如擺式機(jī)動、螺旋機(jī)動)同樣是反艦導(dǎo)彈周期性地改變飛行軌跡,機(jī)動軌跡在縱向平面和航向平面內(nèi)的投影可分別用如下形式的正弦曲線和余弦曲線來近似表示:
式中:(x1y1z1)為末端機(jī)動的初始位置;ξ0為初始相位角,這里取 ξ0=? π /2;ly、lz分別為縱向和航向投影曲線的機(jī)動半徑;kyπ、kzπ分別為一個機(jī)動周期內(nèi)縱向和航向投影曲線的相位變化值;A稱為節(jié)距,它是指在一個機(jī)動周期內(nèi)反艦導(dǎo)彈沿地面坐標(biāo)系OX軸方向飛行的距離。
定義節(jié)點(diǎn)數(shù)n,它是在末端機(jī)動范圍內(nèi)反艦導(dǎo)彈所完成的機(jī)動周期的數(shù)值。
考慮到末端機(jī)動是根據(jù)x 進(jìn)行控制的,假設(shè)反艦導(dǎo)彈在飛行到 x=x2時停止機(jī)動,則有:n=(x2? x1)A。式中,ly、lz、ky、kz、A為末端機(jī)動參數(shù),根據(jù)具體的末端機(jī)動方式進(jìn)行選取。若選取 ly=0,則表示航向蛇行機(jī)動軌跡,z 隨x 按余弦曲線周期性地變化。由此可見,平面機(jī)動方式是非平面機(jī)動方式的特例。
由于末端機(jī)動中的控制信號包括法向過載和質(zhì)心兩組控制信號。因此,末端機(jī)動的一體化控制模型也應(yīng)該包括這兩組控制信號。即內(nèi)環(huán)的法向過載控制信號 n?y和 n?z,以及外環(huán)的質(zhì)心控制信號 y*和z*。具體的控制信號如下[7]:
其中,
公式(3)~(5)中,ny、θ 及vψ是導(dǎo)彈的飛行力學(xué)參數(shù),具體見文獻(xiàn)[9]。上述兩種控制信號相互配合、協(xié)調(diào)控制,即可控制反艦導(dǎo)彈完成預(yù)定的各種末端機(jī)動彈道。末端機(jī)動的起始位置及機(jī)動范圍視具體情況定。
如圖1所示,OXYZ為地面坐標(biāo)系,反艦導(dǎo)彈M點(diǎn)的位置為(x,y,z),攔截彈I點(diǎn)的位置為(xI,yI,zI),實際的彈(攔截彈I)目(反艦導(dǎo)彈M)之間的距離大小為:
圖1 航向平面攔截關(guān)系
在航向平面內(nèi),各角度的正方向的規(guī)定一樣,見圖1。圖中,Rxz為彈目距離,qxz為視線角,v 和vI分別為反艦導(dǎo)彈與艦空導(dǎo)彈的速度,ψM和ψI分別為兩者的彈道偏角,ηM和 ηI分別為兩者的前置角,即各自的速度矢量方向轉(zhuǎn)到視線方向所要旋轉(zhuǎn)的角度。
由圖1建立航向平面內(nèi)的攔截幾何關(guān)系:
式(7)、(8)中:
當(dāng) x > xI,即攔截導(dǎo)彈尾追反艦導(dǎo)彈情況時,
圖2中 zI軸的指向與OZ軸指向相反是因為艦空導(dǎo)彈彈道偏角| ψI| > π/2。θM和 θI分別為反艦導(dǎo)彈和艦空導(dǎo)彈的彈道傾角,順時針轉(zhuǎn)動為正,其他都是逆時針轉(zhuǎn)動為正,故 θI<0、視線角 qxy<0,并且這兩個角度的正方向相反。前置角 ηI> 0,ηM<0。
圖2 縱向平面攔截關(guān)系
縱向平面內(nèi)的攔截幾何關(guān)系:
式(12)、(13)中:
當(dāng) x > xI,即攔截導(dǎo)彈尾追反艦導(dǎo)彈情況時,
鑒于艦空導(dǎo)彈的相關(guān)信息我們無法詳細(xì)知道,故在艦空導(dǎo)彈攔截反艦導(dǎo)彈的過程中,將艦空導(dǎo)彈視為質(zhì)點(diǎn),只進(jìn)行質(zhì)心運(yùn)動,其運(yùn)動方程[9]:
考慮艦空導(dǎo)彈的制導(dǎo)控制系統(tǒng)動態(tài)過程,將其簡化為3個1 階慣性延遲環(huán)節(jié),其簡化動態(tài)過程如圖3所示,其中 T1=0.01 s為導(dǎo)引頭的時間常數(shù);T2=0.02 s為控制回路的時間常數(shù);T3=0.5 s為艦空導(dǎo)彈彈體的時間常數(shù)。
艦空導(dǎo)彈(攔截彈I)采用如下的比例導(dǎo)引律:
式中,N1與N2為艦空導(dǎo)彈的比例導(dǎo)引系數(shù)。
圖3 制導(dǎo)控制系統(tǒng)簡化圖
在進(jìn)行反艦導(dǎo)彈與艦空導(dǎo)彈的突防對抗仿真過程中,由于反艦導(dǎo)彈采用的是全彈道仿真模型,艦空導(dǎo)彈采用的是簡化模型,所以,為了使仿真結(jié)果盡可能的接近事實,反艦導(dǎo)彈考慮了多種外界及內(nèi)部干擾的影響,艦空導(dǎo)彈也考慮了一些本身的結(jié)構(gòu)約束,具體的敘述見下文。
1)海浪影響
反艦導(dǎo)彈飛行過程中,通過無線電高度表來測量導(dǎo)彈距海面的高度,送入慣導(dǎo)回路,計算得到組合高度,與裝訂高度進(jìn)行比較,再根據(jù)高度控制方程進(jìn)行高度控制。由此可見當(dāng)海面波動時,無線電高度表的測量高度會因測量面的變化而變化,從而對導(dǎo)彈的高度控制產(chǎn)生影響,特別是在較大風(fēng)浪時,導(dǎo)彈有可能因觸浪而導(dǎo)致反艦導(dǎo)彈掉海,因而必須對海浪進(jìn)行模擬。在工程上,一般把海浪看作一種具有各態(tài)歷經(jīng)性的平穩(wěn)正態(tài)隨機(jī)過程,利用頻譜方法來進(jìn)行研究。本文采用如式(20)所示的一維PM海浪譜作為海浪模型[10]:
式中:HS為海浪有效波高,單位m(由海情定,本文采用四級海情 HS=2.5 m);ω為海浪角頻率。
根據(jù)式(20),采用波浪疊加法對海浪進(jìn)行仿真,即可得出海浪的瞬時波動 ξ (t),則導(dǎo)彈相對海平面的瞬時飛行高度為
式中:yw(t)為考慮海浪波動的情況下導(dǎo)彈的飛行高度;y (t)為不考慮海浪波動的情況下導(dǎo)彈的飛行高度。
將導(dǎo)彈相對海平面的瞬時飛行高度代入導(dǎo)彈的導(dǎo)航模塊,從而可模擬海浪對導(dǎo)彈高度控制的影響。
2)建模不確定性影響
由于反艦導(dǎo)彈在飛行過程中,其飛行運(yùn)動參數(shù)受干擾或建模不確定性等影響,其運(yùn)動參數(shù)需要進(jìn)行一定的攝動,故對其采用確定型隨機(jī)處理,使運(yùn)動參數(shù)相對標(biāo)稱運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行最大幅度±30%的攝動。
3)高度表測量誤差
反艦導(dǎo)彈的控制系統(tǒng)的組成除了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)外,還有必要的彈上測量儀表,例如高度表。反艦導(dǎo)彈在飛行過程中,通過雷達(dá)高度表來測量導(dǎo)彈距海面的高度,以此與裝訂高度進(jìn)行比較。因此,高度表的測量誤差應(yīng)該在仿真對抗中被考慮進(jìn)去,對測量高度值采用確定型隨機(jī)處理,進(jìn)行±1%的攝動。
4)導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)裝備誤差
由于導(dǎo)彈本身的控制系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)就是一個非常復(fù)雜的綜合系統(tǒng),由其本身的結(jié)構(gòu)裝備引起的干擾和誤差,對其力和力矩肯定產(chǎn)生一定的影響,從而對導(dǎo)彈的控制系統(tǒng)也會產(chǎn)生一定的影響。因此,在對抗仿真過程中,對干擾力和力矩也采用確定型隨機(jī)處理,進(jìn)行±1%的攝動。
5)指揮儀初始方位誤差
由于指揮儀的初始方位也是有儀器進(jìn)行測量得來的,其初始方位角毫無疑問也會帶有誤差,故對其也采用確定型隨機(jī)處理,對其測量值進(jìn)行±1%的攝動。
6)陀螺漂移影響
反艦導(dǎo)彈的控制系統(tǒng)中,因陀螺儀在測量角度的過程中帶有漂移,故陀螺漂移所引起的ψ值有所變化,在對抗仿真中考慮陀螺漂移速度1 n mile/h。
1)導(dǎo)引頭前置角約束
設(shè)定艦空導(dǎo)彈的導(dǎo)引頭有前置角約束范圍:?5 0° ~ + 50°。當(dāng)前置角達(dá)到此限制范圍之外時,導(dǎo)引頭失效,艦空導(dǎo)彈沿失效點(diǎn)的方向作直線運(yùn)動。
2)導(dǎo)引頭盲區(qū)約束
設(shè)定艦空導(dǎo)彈的導(dǎo)引頭盲區(qū)為500 m,即導(dǎo)彈進(jìn)入死區(qū)后,導(dǎo)引頭失效,艦空導(dǎo)彈沿失效點(diǎn)的方向作直線運(yùn)動。
當(dāng)反艦導(dǎo)彈在地面坐標(biāo)系內(nèi)沿OX軸方向飛行到Xstart的時候,開始以縱向ly和航向lz投影曲線機(jī)動半徑分別進(jìn)行不同方式的末端機(jī)動(航向蛇行、縱向蛇行、擺式機(jī)動和螺旋機(jī)動),與此同時,艦空導(dǎo)彈由初始位置(xI,yI,zI)開始,以相同的初始飛行速度vI進(jìn)行攔截。反艦導(dǎo)彈開始進(jìn)行變軌機(jī)動時的初始相位角為0ξ,且在一個機(jī)動周期內(nèi),反艦導(dǎo)彈沿OX軸方向飛行的距離為A。
值得注意的是,反艦導(dǎo)彈進(jìn)行不同方式的變軌機(jī)動時,各種變軌方式在航向和縱向投影曲線的最大機(jī)動半徑是相同的,即ly=lz=200 m。只有進(jìn)行擺式機(jī)動的時候例外,其縱向投影半徑為ly=50 m。設(shè)Xstart=240 km,vI=850 m/s,ξ0=?π/2,A=7 000 m。
在上述的仿真條件下,進(jìn)行艦空導(dǎo)彈攔截反艦導(dǎo)彈的對抗仿真,當(dāng)艦空導(dǎo)彈的攔截初始位置不同時,給出如下兩種仿真結(jié)果:
1)當(dāng)艦空導(dǎo)彈初始攔截位置(xI,yI,zI)為xI=265 km、yI=80 m、zI=1 000 m時,進(jìn)行不同機(jī)動方式的攔截對抗仿真,脫靶量數(shù)據(jù)結(jié)果見表1。
表1 攔截導(dǎo)彈對不同機(jī)動方式反艦導(dǎo)彈的脫靶量之一
2)當(dāng)艦空導(dǎo)彈的初始攔截位置(xI,yI,zI)變?yōu)閤I=244 km、yI=80 m、zI=19.66 km時,進(jìn)行不同機(jī)動方式的攔截對抗仿真,脫靶量數(shù)據(jù)結(jié)果見表2。
表2 攔截導(dǎo)彈對不同機(jī)動方式反艦導(dǎo)彈的脫靶量之二
由表1、2 中的仿真數(shù)據(jù)看出,應(yīng)用過載控制方法設(shè)計的反艦導(dǎo)彈,在有艦空導(dǎo)彈攔截的情況下,進(jìn)行不同的末端機(jī)動方式進(jìn)行突防的時候,攔截導(dǎo)彈的脫靶量要比不進(jìn)行末端機(jī)動的時候高。同樣,反艦導(dǎo)彈進(jìn)行帶有縱向機(jī)動的變軌方式,攔截導(dǎo)彈的脫靶量要明顯高于只進(jìn)行航向時的機(jī)動方式。
但是由于縱向蛇行、擺式機(jī)動和螺旋機(jī)動這三種方式,其脫靶量差距不是很大,而且沒有明顯的規(guī)律可尋,所以要想比較那種方式比較好,僅僅通過相同條件的一兩次仿真,不足以說明問題,這將是下一節(jié)要解決的問題。
本節(jié)主要是在前面模型和仿真基礎(chǔ)上,在反艦導(dǎo)彈進(jìn)行不同形式的末端機(jī)動時候,艦空導(dǎo)彈由不同的初始位置進(jìn)行攔截,在計算機(jī)上進(jìn)行多次打靶仿真,采用蒙特卡洛法,針對打靶數(shù)據(jù)計算各種末端機(jī)動方式的突防概率,比較末端直線運(yùn)動、航向蛇行機(jī)動、縱向蛇行機(jī)動、螺旋機(jī)動和擺式機(jī)動,那種機(jī)動方式的突防概率最高。
利用蒙特卡洛法來計算反艦導(dǎo)彈的突防概率,比較各種末端機(jī)動方式的優(yōu)劣,需要不同的初始仿真條件下,在計算機(jī)上進(jìn)行多次打靶仿真,具體的初始條件的選取,如圖4所示。圖中所示坐標(biāo)系為地面坐標(biāo)系中的XOZ 平面,M為反艦導(dǎo)彈的位置,其坐標(biāo)為(xstart,0),I為攔截彈的位置,其坐標(biāo)為(xI,zI),反艦導(dǎo)彈與艦空導(dǎo)彈之間的距離為R1,艦空導(dǎo)彈的初始方位角為ψL。
圖4 初始攔截位置圖
當(dāng)反艦導(dǎo)彈沿OX軸方向飛行到xstart時,開始進(jìn)行不同方式的變軌機(jī)動,與此同時,艦空導(dǎo)彈由初始攔截位置 (xI,zI)開始,以飛行速度vI對反艦導(dǎo)彈進(jìn)行攔截,仿真中用到的反艦導(dǎo)彈的相關(guān)參數(shù)同第4節(jié)相同,不同的只是艦空導(dǎo)彈的初始攔截位置及初始方位角不同。關(guān)于艦空導(dǎo)彈初始攔截條件的選擇,遵循如下兩種選擇方法:
1)針對每一種末端機(jī)動方式,在艦空導(dǎo)彈的初始方位角ψL相等的情況下,按照不同的反艦導(dǎo)彈與艦空導(dǎo)彈之間的距離 R1,來定義艦空導(dǎo)彈的初始攔截位置。其中,R1分別選擇為10 km、20 km 和30 km,這樣就定義了3個初始攔截條件。
2)針對每一種末端機(jī)動方式,在反艦導(dǎo)彈與艦空導(dǎo)彈之間的距離 R1相等的情況下,按照不同的艦空導(dǎo)彈的初始方位角ψL,來定義艦空導(dǎo)彈的初始攔截位置。其中,ψL在(0 ~360°) 范圍內(nèi),由0°開始,每隔5°選擇一次,定義為一個初始攔截條件,這樣就定義了72個初始條件。
聯(lián)合上述兩種初始攔截條件的選擇方法,可以得出每一種末端機(jī)動方式共有216種不同的初始仿真條件,即每一種末端機(jī)動方式都要進(jìn)行216次打靶仿真。由于每種末端機(jī)動方式都需要進(jìn)行216次打靶,所以,要想比較各種末端機(jī)動方式的優(yōu)劣(直線飛行、航向蛇行、縱向蛇行、擺式、螺旋機(jī)動),就需要總共進(jìn)行1 080次打靶仿真。
在上述初始仿真條件下,進(jìn)行攔截對抗仿真,總共得到艦空導(dǎo)彈1 080個脫靶量。以殺傷半徑5 m來定義命中區(qū),即艦空導(dǎo)彈的脫靶量只要小于5 m,就當(dāng)作艦空導(dǎo)彈成功攔截反艦導(dǎo)彈。針對這些記錄的不同機(jī)動方式的打靶數(shù)據(jù),計算整理反艦導(dǎo)彈的突防概率如表3所示。
表3 不同機(jī)動方式的突防概率
對比仿真數(shù)據(jù)表1~3,看出表2、3的仿真結(jié)果完全對應(yīng),但表1中,縱向蛇行機(jī)動的脫靶量為18.455 m,而螺旋機(jī)動的脫靶量為15.978 m,這與表3中的仿真結(jié)果不相符。造成這種結(jié)果的主要原因是,反艦導(dǎo)彈在進(jìn)行縱向蛇行機(jī)動時,如果反艦導(dǎo)彈飛行在正弦曲線的峰值點(diǎn),這時橫向過載最大,就會造成大脫靶量,但它只是蛇行飛行狀態(tài)下的一種個例,其他情況都是以小橫向過載來飛行;而進(jìn)行螺旋機(jī)動的時候,反艦導(dǎo)彈時時刻刻都是以最大過載飛行,因此從統(tǒng)計數(shù)據(jù)中來看,縱向蛇行機(jī)動的突防概率仍然小于螺旋機(jī)動的突防概率。
由表3還可以看出,同樣是進(jìn)行平面機(jī)動,縱向蛇行機(jī)動的突防概率為71.76%,要明顯高于航向蛇行機(jī)動的突防概率為41.2%。造成這種結(jié)果的原因是,在對抗仿真的過程中,艦空導(dǎo)彈在攔截進(jìn)行縱向蛇行機(jī)動的反艦導(dǎo)彈的時候,容易掉海,這就造成了縱向機(jī)動的突防概率明顯高于航向機(jī)動。
由仿真結(jié)果和分析得出,在有艦空導(dǎo)彈攔截的情況下,關(guān)于反艦導(dǎo)彈突防概率有3個結(jié)論:① 反艦導(dǎo)彈進(jìn)行末端機(jī)動的突防概率,要比末端直線飛行的時候大;② 反艦導(dǎo)彈進(jìn)行縱向平面行機(jī)動的突防概率,要比航向平面機(jī)動的時候大;③ 反艦導(dǎo)彈以不同的末端機(jī)動方式突防的時候,按照突防概率的大小,機(jī)動方式由優(yōu)至劣的順序是:螺旋機(jī)動—擺式機(jī)動—縱向蛇行機(jī)動—航向蛇行機(jī)動—直線飛行。
本文從工程應(yīng)用的角度出發(fā),在考慮盡可能多的實際影響因素及約束條件的影響下,建立了反艦導(dǎo)彈在有艦空導(dǎo)彈攔截情況下的對抗模型,針對上述模型,在艦空導(dǎo)彈不同攔截初始條件下,進(jìn)行了上千次全彈道打靶仿真,應(yīng)用蒙特卡洛法,以打靶試驗數(shù)據(jù)為依據(jù),比較直觀全面的比較了各種末端機(jī)動方式的突防效果,這在工程上具有較大實用參考價值。但是,本文在建模過程中,艦空導(dǎo)彈采用的是簡化模型,因此,如何將艦空導(dǎo)彈模型擴(kuò)展為全彈道仿真模型,并在此基礎(chǔ)上考慮艦空彈的實際影響因素,使得仿真數(shù)據(jù)更接近工程應(yīng)用,將是進(jìn)一步研究的課題。
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