基于全局灵敏度方程的多层次弹道优化设计

为了使防空导弹优化的弹道更有效的拦截目标,依据多层次法理论,以杀伤概率最大为目标,设计导弹中制导段弹道和末制导段时间参数.整个模型分为3层,第1层是导弹中制导段弹道,第2层是导弹末制导段,第3层是战斗部毁伤目标.将一个层次视为一个子系统,多层次弹道优化问题实质上就是多学科设计优化问题.采用全局灵敏度方程方法计算参数之间的敏度,在系统层进行优化,最终可得到杀伤概率最大的弹道.最后进行了拦截空地导弹目标的计算示例,并采用了均匀实验设计方法和BP神经网络以减小计算量.结果证明全局灵敏度方程是求解多层次弹道优化设计的有效方法.     

多层次法防空导弹弹道优化设计

为了使导弹优化的弹道更有效地杀伤目标,采用多层次法来设计防空导弹中制导段弹道.整个模型分为3层,第1层是导弹中制导段弹道,第2层是导弹末制导段,第3层是战斗部毁伤目标.第1层弹道限定中末段交班点处的弹道倾角进行优化.交班点弹道倾角作为联系第1、2层的全局变量,随它变化而产生一系列的优化弹道.第2层是导弹自寻的模型,通过Monte-Carlo仿真得到脱靶量分布的数学期望和标准差,这是联系第2、3层的全局变量.第3层由脱靶量的分布计算杀伤概率,最大杀伤概率对应的第1层弹道就是系统的最优解.多层次法表明了中制导段弹道优化设计和最终导弹杀伤概率之间的关系,使得杀伤概率这一效能指标能够作为中制导段弹道优化的指标.最后进行了拦截高空高速巡航目标和低空低速巡航目标的算例计算.      

多导弹分布式协同制导与控制方法

针对多枚导弹三维空间协同攻击机动目标要求,提出了一种多导弹分布式协同制导与控制方法.基于网络同步原理设计了一种多导弹三维位置同步算法,将目标视作领弹,与攻击导弹组成“领弹-从弹”的拓扑结构,实现了导弹对目标的协同攻击引导.同步算法给出了惯性坐标系导弹3个方向速度的指令,基于坐标变换将其转化为自动驾驶仪可以跟踪的速度及弹道倾角指令.基于切换控制方法设计了导弹自动驾驶仪,实现了多导弹协同制导与控制的闭环仿真.仿真结果验证了该方法的有效性.      

存在网络丢包的导弹制导控制一体化设计

研究了网络环境下存在丢包的导弹制导控制一体化设计问题.多个地面雷达同时对目标进行观测,并通过网络将目标信息传输给导弹.考虑网络存在丢包的情况,将丢包描述为导弹与雷达之间的通信拓扑模型,建立了包含3个级联子系统的导弹纵向通道制导控制一体化模型.将滑模控制与反演控制相结合,给出了每个子系统的虚拟控制量,并设计滤波器对虚拟控制量进行滤波,使得系统对丢包具有一定的鲁棒性.在此基础上,设计导弹制导控制一体化滑模反演控制律,并给出了系统有界输入有界输出（BIBO,Bounded-Input Bounded-Output）稳定的充分条件.数值仿真验证了所提方法的有效性.      

多用途导弹引信及战斗部主要参数优化设计

针对目前多用途导弹对武装直升机单发杀伤概率建模中存在的不足,引入桨叶易损单元重要性因子的概念,运用蒙特卡罗方法和运动学原理采用新思路建立旋翼激光引信启动模型和战斗部对旋翼桨叶条件杀伤概率模型,为准确客观地分析多用途导弹对武装直升机目标的杀伤概率提供了必要的数学工具.基于所建立的多用途导弹单发杀伤概率模型,对多用途导弹引信和战斗部主要参数进行多目标优化设计,优化结果明显改善了单枚多用途导弹对武装直升机的杀伤性能及引信和战斗部的参数设计.     

超视距空战中多机协同制导方法

对空空导弹制导权交接的任务分配问题,根据己方飞机与制导权需交接的导弹的态势建立了对导弹的态势优势模型;根据己方飞机对该导弹攻击目标的态势建立了对目标的探测能力模型;根据敌方飞机对己方飞机的态势建立了己方飞机受到的威胁度模型;根据敌我双方飞机的空战能力建立了空战效能优势模型.在这4种模型的基础上建立了己方飞机对导弹的总的制导优势模型.在总的制导优势的基础上建立了协同制导任务分配模型,并采用遗传算法对协同制导任务分配问题进行优化求解.仿真结果表明,该方法能够实时地计算制导优势和进行任务分配,有效地完成多机协同制导.     

基于组合优化算法的空面导弹全空域弹道优化

针对空面导弹全空域弹道优化问题，提出基于多岛遗传算法和序列二次规划法的组合优化算法，充分发挥多岛遗传算法对初值不敏感、全局收敛性强及序列二次规划法收敛速度快、精度高等特点。采用代理模型技术，在保证拟合精度的前提下，极大的降低了全空域弹道优化的计算量。算例结果表明：组合优化算法收敛速度较快，可以得到高精度的全局最优解；代理模型拟合精度较高，可以满足工程要求；且优化结果和所建立的代理模型可以为全空域制导律设计提供有力的支撑。     

拦截机动目标的三维协同中末一体化制导律

针对空中来袭目标机动能力较大,单枚导弹无法有效拦截的问题,提出了拦截机动目标的三维协同中-末一体化制导律。根据目标和拦截弹的最大机动能力计算所需的最少拦截弹数量,解算出末制导的初始阵位约束,根据阵位约束,设计基于改进比例导引的协同末制导律。基于中制导开始时目标速度,迭代求解出预测命中点以及中末交班约束,提出基于预测命中点的时间角度协同中制导律。在三维场景下对协同中末制导律进行仿真验证,结果表明：该方法能够有效满足中末交班的阵位要求以及末段拦截精度,实现对机动目标的有效拦截。     

基于自适应反演法的导弹直/气复合制导

防空导弹要求能够应对高速、高机动性等复杂对抗环境,直接力/气动力复合制导是防空导弹制导系统设计的关键技术.主要研究了直接力/气动力复合控制导弹的控制律、操纵律以及制导律,针对非线性系统,提出了一种基于自适应反演理论的控制方法;直/气复合切换逻辑采用模糊方法;末制导段应用变结构制导律.以某防空导弹为例进行仿真,结果表明该复合制导方法易于实现,对于高机动目标具有良好的制导精度,显示了该方法的有效性.     

高超声速再入滑翔飞行器多约束轨迹快速优化

为适应高超声速再入滑翔飞行器高动态、多约束的特点,提出了一种快速轨迹优化方法.轨迹优化时将倾侧角控制曲线表示为飞行器能量参数的分段线性函数,从而使纵向轨迹优化问题转化为多维非线性规划问题,并采用序列二次规划(SQP,Sequential Quadratic Programming)方法进行优化求解.横侧向轨迹控制采用偏航角跟踪视线角的方法,设计了视线角误差走廊边界随速度变化的取值,研究了倾侧角反转策略,避免了传统优化中求解倾侧角反转时刻所需的迭代运算.仿真结果表明:该轨迹优化方法在一般高性能微机上生成一条约10 000 km左右的飞行轨迹耗时约5 s,具有较快的优化速度,且精度较高,有一定的工程应用价值 .      

动能拦截器末制导启控点的BP网络方法

为了提高拦截精度并减少燃料消耗,研究了动能拦截器KKV(Kinetic Kill Vehicle)比例末制导律下末制导启控点的选择问题.定义了末段制导启控时的期望位置;通过BP(Back Propagation)网络研究期望位置和目标弹道角之间的非线性关系;利用训练后的网络输出期望位置,仿真实验证实期望位置下启控末制导,可以有效地保证拦截精度并减少末制导过程的燃料总消耗.利用该方法获得的期望位置可以实时指导KKV在中末制导交班段调整自身位置.      

基于能耗最优的多足机器人综合步态优化方法

为综合研究步态参数、摆动腿足端轨迹和机身运动轨迹对多足机器人步态稳定性和能耗的影响,文章提出一种基于能耗最优的多足机器人综合步态优化方法,将步态优化过程转换为两个嵌套的子优化问题。首先,采用一种基于零力矩点稳定性理论的机身运动轨迹规划方法,针对给定的下一步落足点和支撑多边形,规划机身运动轨迹,在保证机身轨迹连续平滑的同时,确保机器人在迈步过程中的稳定性。其次,提出一种基于能耗指标的周期性步态优化方法,建立足式机器人虚拟样机模型作为步态优化模型,对步态参数、摆动腿足端轨迹和机身运动轨迹同时进行优化,保证机器人的步态稳定性,得到使机器人前进单位距离能耗最小的步态。最后,搭建足式机器人虚拟样机仿真平台,仿真结果表明,采用本文的步态优化方法,在保证机器人平稳前进的同时,机器人前进单位距离能耗与优化前相比降低了约14%。     

载人航天器深空飞行返回再入轨迹优化

分析了载人航天器深空飞行返回再入的飞行特点,指出其轨迹优化研究的必要性;给出了基于遗传算法的轨迹优化方法;利用自主编制的仿真软件程序,采用与Apollo和Soyuz飞船类似的返回舱的参数进行了仿真。仿真结果表明,优化后加速度过载峰值被严格控制在满足载人飞行要求的范围内,同时其他过程载荷峰值也在满足约束的前提下明显降低,总吸热量和再入航程也大幅缩减,优化后再入轨迹满足工程实施的初步要求。     

一种月球表面飞跃转移轨迹设计方法

针对飞跃器在月球表面飞跃转移轨迹设计问题,提出了基于凸优化方法的整个飞跃过程燃料最优轨迹设计方法。与经典凸优化方法对轨迹分段求解后再拼接得到全轨迹设计的方法不同,在假设垂直上升、着陆时间固定条件下,根据实际工程需要对轨迹进行了分段设计约束,利用黄金分割法搜索上升着陆时间,通过将原问题转化为求解一个二阶锥问题得到了全飞行过程燃料最优轨迹,解决了经典方法中分段最优但全任务过程非最优的问题。仿真结果表明,在同样满足分段约束情况下,分段凸优化方法采用不同垂直起降速度约束时燃耗分别为25.7207kg和 25.3903kg,而全程凸优化方法的燃料消耗为24.9682kg,优于分段凸优化的结果。     

基于代理模型的高超声速飞行器协同优化设计

建立了类X-51A高超声速飞行器的多学科模型,包括外形、气动、推进、质量、热流、弹道等学科.采用多学科设计优化(MDO, Multidisciplinary Design Optimization)方法中的协同优化(CO, Collaborative Optimization)进行了计算,计算流程中构建了两个子系统优化器与弹道学科的代理模型,使用代理模型替代了计算耗时的真实模型.同时为了对比,采用了多学科可行法(MDF, Multidisciplinary Feasible Method)进行了优化计算.结果表明,二者的优化结果基本一致,优化之后的飞行器质量比初始构型飞行器降低了15.2%,航程提升了63.5%,并且使用代理模型后计算效率也得到了很大的提升.验证了基于代理模型的协同优化方法应用于高超声速飞行器设计中的有效性.     

空天飞机再入轨迹的变精度序列优化方法

为提高空天飞机再入轨迹优化方法的稳健性和精度,提出一种变精度序列优化方法。优化计算过程分为3个步骤：首先进行预优化,即在粗离散情况下,应用混合优化方法进行轨迹优化,获得各时间点设计变量的最优解;然后对预优化的结果进行一元全区间插值处理,获得细离散情况下设计变量的初值;最后进行精细优化,获得精度更高的计算结果。算例结果表明,变精度序列优化方法能稳健地求解空天飞机再入轨迹优化问题,并能以较少的计算量获得满足精度要求的优化结果。     

基于伪谱法的小天体最优下降轨迹优化方法

针对小天体着陆探测下降阶段的多约束轨迹优化问题,基于Gauss伪谱法进行了燃耗最优下降轨迹优化设计,得出了燃耗最优下降轨迹。建立了小天体下降轨迹优化问题的最优控制问题模型,采用Gauss伪谱法进行离散化,转化为非线性规划问题进行了求解。数学仿真结果显示:优化结果符合各项约束条件,以零速度到达了目标着陆点,且符合燃耗最优的优化目标。利用Gauss伪谱法进行小天体最优下降轨迹优化,计算速度快,求解精度高。