Tài liệu Nghiên cứu xây dựng thuật toán điều khiển cho một lớp tên lửa đất đối đất phóng thẳng đứng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ ------------------------------------- ĐẶNG VÕ CÔNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHO MỘT LỚP TÊN LỬA ĐẤT ĐỐI ĐẤT PHÓNG THẲNG ĐỨNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ ------------------------------------- ĐẶNG VÕ CÔNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHO MỘT LỚP TÊN LỬA ĐẤT ĐỐI ĐẤT PHÓNG THẲNG ĐỨNG Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9 52 02 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS.TSKH Nguyễn Đức Cương 2. TS. Nguyễn Đức Thành HÀ NỘI – 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả được trình bày trong luận án này là trung thực và chưa được ai công bố ở bất kỳ công trình nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. Ngày … tháng … năm 2019 Tác giả luận án Đặng Võ Công ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới GS.TSKH Nguyễn Đức Cương và TS Nguyễn Đức Thành, đã định hướng nghiên cứu và tận tình chỉ bảo, hướng dẫn, giúp đỡ tôi thực hiện luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Thủ trưởng Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự, Phòng Đào tạo/ Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự đã luôn ủng hộ, hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện và bảo vệ luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Thủ trưởng Viện Tên lửa, các Phòng nghiên cứu của Viện Tên lửa đã quan tâm, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành bản luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Thủ trưởng Bộ Tư lệnh Phòng khôngKhông quân, Thủ trưởng Viện Kỹ thuật Phòng không-Không quân và các cán bộ Phòng Nghiên cứu Vũ khí hàng không/ Viện Kỹ thuật Phòng khôngKhông quân đã quan tâm, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện luận án này. Tôi xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc đến gia đình, người thân cùng bạn bè đã luôn quan tâm, cổ vũ, động viên và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi thực hiện tốt luận án này. Tác giả Đặng Võ Công iii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ............................................ vi DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................ x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .......................................................................... x MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÊN LỬA ĐẤT ĐỐI ĐẤT VÀ BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN QUỸ ĐẠO CHO MỘT LỚP TÊN LỬA ĐẤT ĐỐI ĐẤT ......... 8 1.1. Tổng quan về tên lửa đất đối đất ........................................................ 8 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ..................................... 11 1.2.1. Tình hình nghiên cứu trong nước.................................................. 11 1.2.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước ................................................. 13 1.3. Những vấn đề tồn tại và hướng tiếp cận của luận án ..................... 17 1.4. Đề xuất bài toán điều khiển quỹ đạo cho một lớp tên lửa đất đối đất ............................................................................................................... 18 1.4.1. Bài toán điều khiển quỹ đạo cho TLĐĐ trong giai đoạn đầu ....... 19 1.4.2. Bài toán điều khiển quỹ đạo cho TLĐĐ trong giai đoạn cuối ...... 33 1.5. Giới hạn phạm vi, đối tượng của luận án ........................................ 36 1.6. Kết luận chương 1 .............................................................................. 39 CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG QUỸ ĐẠO THAM CHIẾU CHO MỘT LỚP TÊN LỬA ĐẤT ĐỐI ĐẤT ................................................. 41 2.1. Chuyển động của tên lửa đất đối đất có tính đến độ cong và sự quay của Trái Đất quanh trục.................................................................. 41 2.1.1. Các hệ tọa độ và chuyển đổi giữa các hệ tọa độ ........................... 41 2.1.2. Hệ phương trình chuyển động của TLĐĐ khi có tính đến độ cong và chuyển động quay của Trái Đất quanh trục ....................................... 45 2.2. Bù mặt phẳng bắn do sự ảnh hưởng của lực Coriolis .................... 52 2.3. Phương pháp xây dựng quỹ đạo tham chiếu cho một lớp TLĐĐ . 56 iv 2.3.1. Cơ sở toán học của phương pháp xây dựng quỹ đạo tham chiếu . 56 2.3.2. Phương pháp số để xây dựng quỹ đạo tham chiếu ....................... 58 2.3.3. Các vấn đề xung quanh bài toán xây dựng quỹ đạo tham chiếu... 59 2.4. Kết luận chương 2 .............................................................................. 64 CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN QUỸ ĐẠO CHO MỘT LỚP TÊN LỬA ĐẤT ĐỐI ĐẤT .......................................................... 65 3.1. Hạn chế của phương pháp tiếp cận giải tích ................................... 66 3.2. Xây dựng thuật toán bám quỹ đạo tham chiếu trong giai đoạn đầu cho một lớp TLĐĐ..................................................................................... 69 3.2.1. Cơ sở hình thành thuật toán bám quỹ đạo tham chiếu .................. 76 3.2.2. Các chỉ tiêu đánh giá ..................................................................... 84 3.2.3. Xác định các tham số đầu vào trong luật điều khiển .................... 86 3.2.4. Phương pháp lựa chọn các hệ số trong luật điều khiển ................ 88 3.3. Xây dựng giải pháp điều khiển quỹ đạo trong giai đoạn cuối cho một lớp TLĐĐ............................................................................................ 91 3.3.1. Xác định độ cao bắt đầu điều khiển giai đoạn cuối h0 ................. 92 3.3.2. Vấn đề tư thế của tên lửa khi bắt đầu vào điều khiển giai đoạn cuối ................................................................................................................. 94 3.3.3. Thuật toán bám quỹ đạo theo đoạn thẳng mong muốn ................. 96 3.3.4. Giải pháp đa dạng hóa các quỹ đạo tấn công trong giai đoạn cuối cho một lớp TLĐĐ .................................................................................. 98 3.4. Kết luận chương 3 ............................................................................ 112 CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CỦA MỘT LỚP TÊN LỬA ĐẤT ĐỐI ĐẤT ............................................... 114 4.1. Các nội dung cần kiểm chứng ......................................................... 114 4.2. Mô phỏng kiểm chứng thuật toán điều khiển của TLĐĐ trong giai đoạn đầu dưới tác động của sai số véc tơ lực đẩy ................................ 117 v 4.2.1. Đánh giá chất lượng của thuật toán điều khiển ứng với các lượng sai số véc tơ lực đẩy khác nhau ............................................................. 120 4.2.2. Khảo sát độ sai lệch quỹ đạo tại độ cao bắt đầu điều khiển giai đoạn cuối ( h0 ) ứng với các lượng sai số véc tơ lực đẩy khác nhau ...... 126 4.3. Mô phỏng kiểm chứng thuật toán điều khiển của TLĐĐ trong giai đoạn đầu với sự bất định của các tham số đối tượng điều khiển........ 129 4.3.1. Với độ bất định của m αz ............................................................... 129 4.3.2. Với độ bất định của mz ............................................................... 131 4.4. Mô phỏng kiểm chứng các giải pháp điều khiển trong giai đoạn cuối của tên lửa đất đối đất .................................................................... 132 4.4.1. Trường hợp quỹ đạo trung gian .................................................. 133 4.4.2. Trường hợp quỹ đạo cao, tấn công thẳng đứng .......................... 135 4.4.3. Trường hợp quỹ đạo tấn công thấp ............................................. 136 4.4.4. Trường hợp mở rộng tầm bắn bằng quỹ đạo cao, vươn xa, tấn công thẳng đứng ............................................................................................. 138 4.5. Kết luận chương 4 ............................................................................ 138 KẾT LUẬN ................................................................................................... 140 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ .............. 142 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 143 PHỤ LỤC .......................................................................................................P-1 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT gr Thành phần gia tốc trọng trường hướng vào tâm Trái Đất g Thành phần gia tốc trọng trường hướng theo trục quay của Trái Đất Hc Độ cao tham chiếu h0 Độ cao bắt đầu vào điều khiển giai đoạn cuối J xx , J yy , J zz Mô men quán tính của tên lửa quanh các trục tương ứng của hệ tọa độ liên kết Jc Gia tốc li tấm J cor Gia tốc Coriolis Lc Cự li tham chiếu Mx, My, Mz Mô men khí động trong hệ tọa độ liên kết M x Mô men gây ra bởi sai số chéo M x cren 0 Mô men do sai số góc lệch cánh lái khí động ban đầu của kênh cren M y 0 Mô men do sai số góc trượt cạnh ban đầu của kênh ngang M y Mô men gây ra bởi sai số véc tơ lực đẩy trong mặt phẳng ngang M z Mô men kênh đứng do góc tấn M z 0 Mô men do sai số góc tấn ban đầu của kênh đứng M z cly Mô men kênh đứng do góc lệch cánh lái kênh đứng M z z Mô men kênh đứng do tốc độ góc z M z Mô men gây ra bởi sai số véc tơ lực đẩy trong mặt phẳng đứng m Khối lượng của tên lửa vii mz Đạo hàm mô men chúc ngóc theo góc tấn m z Đạo hàm mô men chúc ngóc theo góc quay cánh lái kênh đứng mz z Đạo hàm mô men chúc ngóc theo tốc độ góc không thứ nguyên n yc Quá tải pháp tuyến tham chiếu Oxa ya za Hệ tọa độ tốc độ Oxk yk zk Hệ tọa độ quỹ đạo O0 xe ye ze Hệ tọa độ địa lý Ox0 y0 z0 Hệ tọa độ mặt đất Oxg yg z g Hệ tọa độ địa lý địa phương O0 , r ,  , Hệ tọa độ cầu địa lý địa tâm R Bán kính Trái Đất T0 Thời điểm bắt đầu điều khiển giai đoạn đầu Tdk Thời điểm kết thúc điều khiển giai đoạn đầu V Vận tốc của tên lửa V1 Vận tốc của tên lửa tại thời điểm kết thúc điều khiển Xa Lực cản khí động Y Lực nâng do góc tấn Y cly Lực nâng do góc lệch cánh lái kênh đứng Z Lực dạt do góc trượt cạnh Z clz Lực dạt do góc lệch cánh lái kênh ngang  Góc tấn  Góc trượt  Góc liệng (cren, roll) c Góc giữa trục Oza của HTĐ tốc độ và mặt phẳng nằm viii ngang Oxg zg  cly Góc lệch cánh lái kênh đứng  clz Góc lệch cánh lái kênh ngang  cren Góc lệch cánh lái kênh cren M Góc nghiêng quỹ đạo tham chiếu  Góc nghiêng quỹ đạo tức thời 1 Góc nghiêng quỹ đạo tại thời điểm kết thúc điều khiển  Góc chúc ngóc tức thời ct Góc chúc ngóc chương trình  Góc cần sửa của véc tơ tốc độ  Mật độ không khí  Vĩ độ địa lý trong hệ tọa độ cầu địa lý địa tâm  Kinh độ địa lý trong hệ tọa độ cầu địa lý địa tâm  Góc hướng quỹ đạo 0 Góc hướng bắn ban đầu khi chưa hiệu chỉnh mặt phẳng bắn  Góc hướng x ,  y , z Tốc độ góc của tên lửa trong hệ tọa độ liên kết  Sai lệch quỹ đạo BĐKBQĐ Bộ điều khiển bám quỹ đạo BĐKBG Bộ điều khiển bám góc BEIDU Hệ thống định vị toàn cầu của Trung Quốc CEP Vòng tròn tản mát (Circular Error Probable) EKF Bộ lọc Kalman mở rộng (Extended Kalman Filter) FOG Con quay sợi quang (Fiber Optic Gyroscope) GNSS Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu (Global Navigation Satellite System) ix GLONASS Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu của Nga (Глобальная Навигационная Спутниковая Система) GPS Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu của Mỹ (Global Positioning System) HDSD Hướng dẫn sử dụng HTDĐKH Hệ thống dẫn đường kết hợp HTĐ Hệ tọa độ IC Vi mạch tích hợp (Intergrate Circuit) IMU Khối đo các tham số quán tính (Inertial Measurement Unit) INS Hệ thống dẫn đường quán tính (Inertial Navigation System) KCB Khí cụ bay MEMS Các hệ thống vi cơ điện tử (Micro Electro Mechanical Systems) MTMĐ Máy tính mặt đất MTTK Máy tính trên khoang RTK Real-Time Kinematic TLĐĐ Tên lửa đất đối đất TLGĐ Tên lửa giả định TLPK Tên lửa phòng không TLHTĐH Tên lửa hành trình đối hải TMKT Thuyết minh kỹ thuật UAV Máy bay không người lái (Unmanned Aerial Vehicle) x DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 4.1. Khảo sát sơ bộ giá trị của M z theo  y và  y .............................. 118 Bảng 4.2. Bảng khảo sát mức độ ảnh hưởng của sai số véc tơ lực đẩy ........ 128 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1. Tên lửa Scud-B đặt trên xe phóng .................................................... 9 Hình 1.2. Tên lửa Iskander-M đặt trên xe phóng .............................................. 9 Hình 1.3. Tên lửa Extra ................................................................................... 11 Hình 1.4. Một quỹ đạo điển hình cho một lớp TLĐĐ thế hệ mới .................. 18 Hình 1.5. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển ô tô nôm của TLĐĐ ..................... 20 Hình 1.6. Sơ đồ quá trình hình thành các tham số chuẩn ............................... 23 Hình 1.7. Quỹ đạo giai đoạn đầu, phóng thẳng đứng và đổi hướng ............... 24 Hình 1.8. Thành phần V 2 2 trong giai đoạn đầu của TLGĐ .......................... 26 Hình 1.9. Véc tơ lực đẩy P trong hệ toạ độ liên kết Ox1 y1 z1 ........................... 29 Hình 1.10. Sai số tâm khối so với trục đối xứng Ox1 (phóng đại) ................. 30 Hình 1.11. Quỹ đạo có điều khiển trong giai đoạn cuối của TLĐĐ ............... 33 Hình 1.12. Các quỹ đạo định hướng trong giai đoạn cuối .............................. 35 Hình 2.1. HTĐ mặt đất Ox0 y0 z0 ...................................................................... 42 Hình 2.2. HTĐ liên kết Ox1 y1 z1 ....................................................................... 43 Hình 2.3. HTĐ địa lý O0 xe ye ze , HTĐ địa lý địa phương Oxg yg zg và HTĐ cầu địa lý địa tâm (O0 , r ,  , ) ................................................................................. 44 Hình 2.4. Biểu diễn gia tốc li tâm và gia tốc hấp dẫn ..................................... 49 Hình 2.5. Bù mặt phẳng bắn cho TLĐĐ ......................................................... 53 xi Hình 2.6. Lưu đồ thuật toán xác định góc hiệu chỉnh hướng phóng .............. 55 Hình 2.7. Cự li điểm rơi phụ thuộc vào quá tải pháp tuyến ............................ 56 Hình 2.8. Xây dựng đường cong L = f (nyc ) bằng phương pháp số................ 58 Hình 2.9. Hai quỹ đạo tham chiếu ứng với cùng một cự li bắn L=100 [km] . 60 Hình 2.10. Mở rộng tầm bắn bằng quỹ đạo tấn công thẳng đứng .................. 61 Hình 2.11. Quỹ đạo tham chiếu (Hc,Lc) ......................................................... 63 Hình 2.12. Quỹ đạo tham chiếu giai đoạn phóng thẳng đứng ........................ 63 Hình 2.13. Quá tải pháp tuyến không đổi ....................................................... 63 Hình 2.14. Góc nghiêng quỹ đạo tham chiếu giai đoạn đầu ........................... 63 Hình 2.15. Độ cao tham chiếu giai đoạn đầu .................................................. 63 Hình 2.16. Cự li tham chiếu giai đoạn đầu ..................................................... 63 Hình 3.1. Quỹ đạo của tên lửa sau khi phóng sai lệch nhiều so với quỹ đạo tham chiếu do tác động của sai số véc tơ lực đẩy ........................................... 70 Hình 3.2. Phương pháp bám quỹ đạo theo góc nghiêng quỹ đạo ................... 73 Hình 3.3. Sai lệch quỹ đạo  không được triệt tiêu mặc dù .......................... 76 Hình 3.4. Cơ sở hình thành thuật toán bám quỹ đạo tham chiếu .................... 78 Hình 3.5. Sơ đồ khối vòng điều khiển kín kênh điều khiển dọc của tên lửa .. 81 Hình 3.6. Thư viện công cụ của Simulink và công cụ tối ưu hóa ................... 89 Hình 3.7. Các hệ số được tuyến tính hóa từng khúc theo thời gian dưới dạng các bảng “Lookup Tables” trong Simulink ..................................................... 90 Hình 3.8. Quá trình chạy công cụ “Signal Constraints” để tìm các hệ số trong luật điều khiển ................................................................................................. 90 Hình 3.9. Tên lửa được điều khiển trong giai đoạn cuối ................................ 92 Hình 3.10. Giá trị thành phần V 2 2 trong cả quỹ đạo bay .............................. 95 Hình 3.11. Sự thay đổi của góc chúc ngóc trong giai đoạn bay không điều khiển (giai đoạn 2) .......................................................................................... 95 xii Hình 3.12. Góc tấn khi TL bay trong giai đoạn không có điều khiển (giai đoạn 2)...................................................................................................................... 95 Hình 3.13. Cơ sở hình thành thuật toán bám theo đoạn thẳng mong muốn ... 97 Hình 3.14. Các phương án điều khiển quỹ đạo của TLĐĐ trong giai đoạn cuối ......................................................................................................................... 99 Hình 3.15. Một phương án sử dụng các quỹ đạo khác nhau tùy theo cự li của mục tiêu ......................................................................................................... 100 Hình 3.16. Các đường cong quỹ đạo tham chiếu trong giới hạn quá tải cho phép của TLGĐ ............................................................................................. 102 Hình 3.17. Điều khiển giai đoạn cuối theo quỹ đạo trung gian .................... 103 Hình 3.18. Cơ sở hình thành quỹ đạo định hướng bay cao, tấn công thẳng đứng ............................................................................................................... 104 Hình 3.19. Tên lửa được điều khiển theo quỹ đạo cao, tấn công thẳng đứng ....................................................................................................................... 106 Hình 3.20. Tên lửa được điều khiển theo quỹ đạo tấn công thấp ................. 111 Hình 4.1. Sai số véc tơ lực đẩy trong kênh đứng (phóng đại) ...................... 117 Hình 4.2. Quỹ đạo của tên lửa trong những thời điểm đầu dưới tác động của sai số véc tơ lực đẩy khác nhau (trường hợp không được điều khiển) ......... 119 Hình 4.3. Quỹ đạo của tên lửa trong những thời điểm đầu mới phóng ứng với M z =300 Nm ................................................................................................ 120 Hình 4.4. Sai lệch quỹ đạo  trong giai đoạn đầu ứng với M z =300 Nm... 120 Hình 4.5. Quỹ đạo bay của tên lửa trong giai đoạn đầu ( M z ≤300 Nm) .... 121 Hình 4.6. Sai số góc  khi M z ≤300 Nm................................................. 121 Hình 4.7. Sai lệch quỹ đạo  khi M z ≤300 Nm ......................................... 121 Hình 4.8. Góc tấn  khi M z ≤300 Nm ....................................................... 121 Hình 4.9. Quá tải pháp tuyến ny khi M z ≤300 Nm .................................... 121 xiii Hình 4.10. Tốc độ góc z khi M z ≤300 Nm .............................................. 121 Hình 4.11. So sánh sai số góc  (thuật toán “PI” và thuật toán “ PI + ssΔ ”) khi M z =300 Nm .......................................................................................... 123 Hình 4.12. So sánh sai lệch quỹ đạo  (thuật toán “PI” và thuật toán “ PI + ssΔ ”) khi M z =300 Nm ...................................................................... 123 Hình 4.13. Sai số góc  khi M z =500 Nm .............................................. 123 Hình 4.14. Sai lệch quỹ đạo  khi M z =500 Nm....................................... 123 Hình 4.15. So sánh sai số góc  (thuật toán “PI” và thuật toán “ PI + ssΔ ”) khi M z =500 Nm .......................................................................................... 124 Hình 4.16. So sánh sai lệch quỹ đạo  (thuật toán “PI” và thuật toán “ PI + ssΔ ”) khi M z =500 Nm ...................................................................... 124 Hình 4.17. Sai số góc  khi M z = 700 Nm ............................................. 125 Hình 4.18. Sai lệch quỹ đạo  khi M z = 700 Nm...................................... 125 Hình 4.19. Một số đường cong quỹ đạo khi M z  500 Nm ........................ 127 Hình 4.20. Các kích thước định tâm của tên lửa ........................................... 130 Hình 4.21. Sai số góc  với các hệ số bất định của mz ............................ 131 Hình 4.22. Sai lệch quỹ đạo  với các hệ số bất định của mz ..................... 131 Hình 4.23. Sai số góc  với các hệ số bất định của mz ............................. 132 Hình 4.24. Sai lệch quỹ đạo  với các hệ số bất định của mz ..................... 132 Hình 4.25. Quỹ đạo trung gian của tên lửa giai đoạn cuối ........................... 133 Hình 4.26. Độ lệch quỹ đạo giai đoạn cuối (QĐ trung gian) ........................ 133 Hình 4.27. Quá tải pháp tuyến giai đoạn cuối (QĐ trung gian) .................... 133 Hình 4.28. Góc tấn giai đoạn cuối (QĐ trung gian)...................................... 133 Hình 4.29. Vận tốc trong giai đoạn cuối (QĐ trung gian) ............................ 134 Hình 4.30. Góc lệch cánh lái trong giai đoạn cuối (QĐ trung gian) ............. 134 xiv Hình 4.31. Quỹ đạo cao, tấn công thẳng đứng giai đoạn cuối ...................... 135 Hình 4.32. Độ lệch quỹ đạo giai đoạn cuối (QĐ cao, tấn công thẳng đứng) 135 Hình 4.33. Quá tải pháp tuyến giai đoạn cuối (QĐ cao, tấn công thẳng đứng) ....................................................................................................................... 135 Hình 4.34. Góc tấn giai đoạn cuối (QĐ cao, tấn công thẳng đứng) ............. 135 Hình 4.35. Vận tốc trong giai đoạn cuối (QĐ cao, tấn công thẳng đứng) .... 135 Hình 4.36. Góc lệch cánh lái trong giai đoạn cuối (QĐ cao, tấn công thẳng đứng) ............................................................................................................. 135 Hình 4.37. Quỹ đạo tấn công thấp giai đoạn cuối ......................................... 136 Hình 4.38. Độ lệch quỹ đạo giai đoạn cuối (QĐ tấn công thấp) .................. 136 Hình 4.39. Quá tải pháp tuyến giai đoạn cuối (QĐ tấn công thấp) .............. 137 Hình 4.40. Góc tấn giai đoạn cuối (QĐ tấn công thấp) ................................ 137 Hình 4.41. Vận tốc trong giai đoạn cuối (QĐ tấn công thấp) ....................... 137 Hình 4.42. Góc lệch cánh lái trong giai đoạn cuối (QĐ tấn công thấp) ....... 137 Hình 4.43. Quỹ đạo cao, vươn xa, tấn công thẳng đứng .............................. 138 Hình 4.44. Độ lệch QĐ giai đoạn cuối (QĐ vươn xa tấn công thẳng đứng) 138 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Hiện nay việc tranh chấp chủ quyền biên giới trên biển cũng như trên đất liền đang là vấn đề nóng, các thế lực thù địch luôn muốn tạo các sự kiện nhằm xâm lấn chủ quyền biển đảo nước ta. Chính vì lẽ đó chúng ta phải có những phương án phòng vệ thích hợp. Do đặc điểm nước ta các quần đảo có khoảng cách tương đối gần, vì vậy ngoài lực lượng pháo binh (sử dụng đạn pháo phản lực), lực lượng không quân (sử dụng tên lửa không đối đất, không đối hải) thì phương án sử dụng tên lửa đất đối đất (TLĐĐ) tầm ngắn độ chính xác cao là một trong những lựa chọn thích hợp nhằm đối phó với đối phương một cách hiệu quả. Chúng ta có thể sử dụng TLĐĐ tầm ngắn để tấn công các cụm cứ điểm, các sở chỉ huy, đặc biệt sẽ hiệu quả khi chống địch đổ bộ trên đất liền, trên đảo.. tạo các phương án đánh trả từ xa hiệu quả trước sự xâm chiếm của đối phương; Sử dụng các TLĐĐ tầm ngắn sẽ rất hiệu quả về chiến thuật bởi thời gian bay ngắn cộng thêm việc có thể kết hợp nhiều phương án tấn công khác nhau làm cho đối phương khó có thể đánh chặn. Hơn nữa với việc sử dụng các loại TLĐĐ độ chính xác cao sẽ giảm thiểu được số lượng đạn cần sử dụng mà vẫn đạt được mục đích yêu cầu; Các TLĐĐ phóng thẳng đứng rất thích hợp với địa hình đồi núi ở nước ta bởi chúng có thể được bố trí phóng ở đằng sau dãy núi vừa gây bất ngờ cho đối phương lại đảm bảo an toàn trong công tác ngụy trang. Điều này phù hợp với nghệ thuật quân sự của Quân đội ta, đó là tận dụng triệt để địa hình địa vật, gây cho địch yếu tố bất ngờ, lấy ít thắng nhiều, hạn chế tối đa tổn thất về khí tài cũng như con người trong chiến tranh bảo vệ tổ quốc; Như vậy thực tiễn công tác xây dựng và bảo vệ tổ quốc, bảo vệ chủ quyền lãnh thổ đã đặt ra yêu cầu, nhiệm vụ phải từng bước khai thác, làm chủ 2 và nhanh chóng tiến tới chế tạo được TLĐĐ. Về mặt khoa học, ở trong nước bài toán điều khiển quỹ đạo cho TLĐĐ trải qua đủ cả 3 giai đoạn từ trước đến nay vẫn chưa được làm sáng tỏ nhất là về thuật toán điều khiển. Các nước xuất khẩu TLĐĐ thường chỉ cung cấp các phần mềm liên quan dưới dạng các file *.exe, các thuật toán đã được cài đặt sẵn vào các máy tính trên khoang (MTTK) hoặc các vi mạch tích hợp (IC), các tài liệu đi kèm chỉ là thuyết minh kỹ thuật (TMKT) và hướng dẫn sử dụng (HDSD) với những lượng thông tin vừa phải chỉ đủ cho công tác khai thác bảo quản mà không có hàm lượng học thuật cao, do vậy việc tiếp cận làm chủ công nghệ để tự thiết kế chế tạo TLĐĐ chỉ dựa trên các bộ tài liệu và phần mềm này là rất khó. Việc nghiên cứu bài toán điều khiển quỹ đạo cho TLĐĐ để từng bước làm chủ công nghệ nhất là làm chủ các thuật toán điều khiển để tự thiết kế chế tạo vẫn là hướng đi song song và hết sức cần thiết; Các TLĐĐ thường được điều khiển trong giai đoạn đầu. Trong giai đoạn này có sự thay đổi đột ngột của hầu hết các tham số nhất là tham số vận tốc. Khi tên lửa mới rời bệ vận tốc còn nhỏ nên hiệu quả điều khiển kém, đặc biệt là chịu sự ảnh hưởng mạnh mẽ của sai số chế tạo nhất là sai số giữa véc tơ lực đẩy so với trục đối xứng của nó. Các sai số này là nguyên nhân chính làm sai lệch quỹ đạo bay của tên lửa, nó có thể làm tên lửa bay lệch khỏi quỹ đạo mong muốn thậm chí mất ổn định ngay từ những thời điểm đầu. Nếu tên lửa được trang bị hệ thống điều khiển véc tơ lực đẩy thì các sai số này sẽ dễ dàng được bù khử, tuy nhiên với các TLĐĐ chỉ được trang bị các cặp cánh lái khí động thì đây là vấn đề hết sức khó khăn. Thuật toán điều khiển trong giai đoạn đầu phải hướng tới sự bền vững để giúp tên lửa bay ổn định trong điều kiện chịu ảnh hưởng mạnh của sai số véc tơ lực đẩy so với trục đối xứng cũng như sự bất định trong việc xác định các tham số của đối tượng điều khiển với khả năng có hạn của các phần mềm hiện nay. Như vậy bài toán điều khiển quỹ đạo trong giai đoạn đầu là một nội dung hết sức quan trọng nhất là đối với lớp TLĐĐ chỉ có các cánh lái khí động mà không được trang bị hệ thống điều khiển véc tơ lực đẩy; 3 Các TLĐĐ thế hệ cũ là các tên lửa không có điều khiển giai đoạn cuối. Hầu hết các tên lửa này chỉ được trang bị hệ thống điều khiển để trong giai đoạn đầu đảm bảo tên lửa ổn định tư thế và bay theo góc chương trình được xác định trước như là một hàm của thời gian. Đây là một nhược điểm của nó bởi cho dù có đảm bảo chỉ tiêu rất nhỏ sai số về góc thực tế so với góc chương trình thì sai lệch về quỹ đạo cũng vẫn lớn, hơn nữa khi các lượng sai số về góc quá nhỏ sẽ nằm trong vùng không nhạy của các cảm biến và cơ cấu chấp hành (các máy lái), lúc này các cảm biến không cảm nhận được dẫn đến không có tín hiệu điều khiển hoặc các máy lái có chấp hành nhưng không có tác dụng, do đó sai lệch về quỹ đạo ngày một tăng. Chính vì vậy các tên lửa cũ có độ tản mát điểm rơi rất lớn (đến hàng km, ví dụ như tên lửa SCUD [51], [52]). Tuy nhiên việc chỉ được trang bị hệ thống điều khiển theo góc xuất phát từ thực tế lịch sử phát triển công nghệ, thời điểm đó công nghệ vệ tinh định vị toàn cầu chưa phát triển nên không thể xác định được các tham số quỹ đạo với độ chính xác cao; Khắc phục nhược điểm này, trong những thập niên gần đây trên thế giới TLĐĐ phát triển theo hướng có thêm điều khiển giai đoạn cuối bằng phương pháp dẫn kết hợp nên cho độ chính xác rất cao, đó là hệ thống dẫn đường quán tính (INS) kết hợp với hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu (GNSS). Do đó, việc nghiên cứu làm rõ bài toán điều khiển giai đoạn cuối cho TLĐĐ cũng là vấn đề cấp thiết. Tóm lại, với các luận điểm được phân tích ở trên cho thấy đề tài luận án “Nghiên cứu xây dựng thuật toán điều khiển cho một lớp tên lửa đất đối đất phóng thẳng đứng” có tính thực tiễn và khoa học cao. Luận án sẽ tập trung nghiên cứu đề xuất thuật toán điều khiển quỹ đạo trong giai đoạn đầu (phóng thẳng đứng và tăng tốc) và giải pháp điều khiển quỹ đạo trong giai đoạn cuối cho một lớp TLĐĐ có tính đến việc đa dạng hóa các quỹ đạo tấn công nhằm gây khó khăn cho sự chống trả của các hỏa lực phòng không đối phương, làm tăng hiệu quả tiêu diệt mục tiêu. Đây là nội dung mới có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Với nội dung này, luận án sẽ có những đóng góp nhất 4 định về mặt học thuật góp phần tiến tới làm chủ việc chế tạo các TLĐĐ ở trong nước. 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu đề xuất thuật toán điều khiển quỹ đạo cho một lớp tên lửa đất đối đất, thuật toán điều khiển phải đảm bảo độ chính xác cần thiết khi có sai số chế tạo đáng kể và độ bất định khá cao của đặc tính khí động. 3. Nội dung nghiên cứu Xây dựng bài toán điều khiển quỹ đạo và nghiên cứu phương pháp xây dựng quỹ đạo tham chiếu của một lớp TLĐĐ; Xây dựng thuật toán điều khiển bám quỹ đạo trong giai đoạn đầu cho một lớp TLĐĐ; Xây dựng giải pháp điều khiển quỹ đạo trong giai đoạn cuối cho một lớp TLĐĐ có tính đến việc đa dạng hóa các quỹ đạo tấn công nhằm gây khó khăn cho sự chống trả của hỏa lực phòng không đối phương; Thử nghiệm bằng phương pháp số trên máy tính để kiểm chứng các thuật toán và giải pháp điều khiển đã đề xuất. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Trong luận án chỉ xét lớp TLĐĐ bắn các mục tiêu cố định được xác định trước. Đối tượng là lớp TLĐĐ chỉ được trang bị các cánh lái khí động với sơ đồ khí động kiểu con vịt, phóng thẳng đứng và có điều khiển giai đoạn cuối. Phạm vi là nghiên cứu xây dựng thuật toán điều khiển trong mặt phẳng đứng với giả thiết TLĐĐ được trang bị hệ thống dẫn đường INS kết hợp với hệ thống dẫn đường GNSS cùng các bộ đo cao khí áp lý tưởng để xác định các tham số tọa độ (kinh độ, vĩ độ), vận tốc, độ cao, tư thế trong không gian, các vận tốc góc, các quá tải, sau này gọi tắt là “hệ thống dẫn đường kết hợp”, ký hiệu là HTDĐKH. Việc đặt ra một số giả thiết để giới hạn phạm vi nghiên cứu của luận án sẽ được trình bày chi tiết tại mục 1.5. 5. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu của luận án là phương pháp lý thuyết kết hợp với thử nghiệm bằng phương pháp số. Việc kết hợp này mang tính biện chứng