多星博弈拦截Nash和Pareto策略研究

针对多星博弈拦截问题,基于微分博弈对策研究了各航天器的博弈策略。分别讨论了多颗拦截器的非合作Nash反馈策略,以及合作Pareto反馈策略。首先针对Nash均衡,各拦截器以终端零控脱靶量为指标设计了博弈策略,而目标的策略以终端脱靶量的加权和进行设计。进一步,考虑各拦截器采取合作方式进行拦截,相应的博弈策略基于单一指标的凸组合进行设计,而目标的策略保持不变。通过比较,Nash反馈策略与Pareto反馈策略相同,使得拦截器可以采取非合作模式实现合作拦截的目的。最后仿真分析了2颗拦截器对同一目标进行拦截的博弈态势,表明了本文提出的博弈策略对多星博弈问题的有效性。     

不完全信息Epsilon纳什均衡的航天器末端追逃博弈策略

针对不完全信息下的航天器末端追逃问题,提出了一种满足Epsilon纳什均衡的微分博弈控制策略。首先,建立了完全信息下的有限时间追逃纳什均衡策略对,并将其作为目标航天器实际采取的控制策略,使目标航天器掌握博弈进程的完全信息,进而获得更好的逃逸性能。在此基础上,考虑拦截航天器不能获取目标控制矩阵信息的态势,设计了基于广义卡尔曼滤波的行为学习信息估计算法,使拦截器能够对目标的不完全信息进行估计,并提出了不完全信息下的末端追逃博弈控制策略。经过理论分析,证明了所设计的不完全信息下微分博弈策略对满足Epsilon纳什均衡。最后,仿真结果表明该算法可以有效估计目标的不完全信息,确保拦截器能够在有限时间内快速拦截目标。     

主辅拦截器协同制导方法研究

随着现代导弹技术的发展,导弹的突防能力越来越强,对导弹的防御难度也逐渐增大。为增强拦截器的杀伤力并降低成本,可利用主辅拦截器协同制导对目标进行拦截。建立了拦截器与目标的相对运动模型,通过对运动方程进行线性化分析,发现协同制导问题实质为具有终端时间限制条件的导引问题,该问题可转化为线性化系统的最优控制问题。利用最优控制中的极小值原理设计了时间协同制导律。仿真结果表明:该制导律可实现多枚拦截器在同一时刻拦截目标的协同制导要求。     

带有引诱角色的有限时间协同制导方法

为实现高价值飞行器的有效突防，采用突防飞行器携带一枚防御器的协同突防方案，在突防器作为引诱角色的情况下，基于有限时间控制理论提出了一种带有拦截角约束的协同制导方法。基于飞行器相对运动学方程和一阶动力学特性，建立了带有拦截角约束的协同反拦截模型；用度量矩阵刻画系统有限时间输入输出动态品质，基于微分线性矩阵不等式给出了有限时间状态反馈控制器设计方法。数学仿真表明，该方法能够确保防御器在有限时间内以预置的拦截角有效拦截对方拦截器；在突防器进行引诱配合的情况下，协同突防方案能够大幅节省防御器需用加速度，验证了协同制导方法的有效性；同时，所提制导方法在不同拦截角度和初始发射条件下都能达到较好的控制效果，表现出较强的鲁棒性。     

大气层外多拦截器协同跟踪与制导算法

针对大气层外多弹头多诱饵的进攻场景，采用多拦截器全拦截策略，提出了带故障诊断的协同跟踪算法、时间协同中制导律以及消除脱靶量的末制导律。首先，基于最小二乘算法以及误差传播理论，实现了局部信息融合以及测量方程的线性化，简化了非线性跟踪滤波算法的设计；并依托滤波算法，设计了传感器故障诊断算法，以排除其对跟踪效果的影响。然后，基于对拦截器和目标受力的合理简化，给出了相对运动解析解，设计了有限推力下的多拦截器时间协同中制导律以及末制导律，实现对多个目标的同时击毁。仿真结果显示，本文设计的协同跟踪与制导算法，可以有效估计目标的状态并排除故障传感器的干扰，实施对多个目标的时间协同拦截。     

一种弹道拦截的HP滑模制导律

为了解决拦截器导引头探测由于高速作战引起的干扰问题,一种新的拦截制导方法HP(Head Pursuit)制导正逐步发展起来,这种导引方法是将拦截器导引到目标轨道的前方进行拦截,要求拦截器的速度低于目标的速度,因此可以消除拦截器的气动加热问题,从而降低对拦截器探测设备的要求.在分析了目标和拦截器的运动学模型的基础上,提出了HP导引律的设计方案.并且根据滑模变结构控制具有鲁棒性的特点,设计了HP滑模变结构制导律,通过拦截器拦截目标弹道数字仿真,验证了制导律的正确性.     

一种面向复杂探测环境的新型分体式制导策略

针对单一寻的飞行器在具有探测干扰屏障的制导场景中难以精确探测目标的问题,提出一种新型分体式制导策略。该策略采用两个飞行器分别完成对目标的观测与拦截,二者通过合理的信息交互与轨迹配合,从而令拦截器能够间接获取高精度制导信息。首先对分体式制导策略进行数学描述,建立分体相对运动模型和探测模型;然后将拦截器与目标间相对运动状态估计的Cramer-Rao下界作为探测性能指标并进行理论分析,从而指出观测轨迹是提高目标探测性能的关键因素;进而综合考虑目标探测性能与观察器的燃料消耗,将观测轨迹设计问题描述成一个动态多目标优化问题,并给出一种分解优化算法以提高求解效率;最后,仿真飞行算例验证了分体式制导策略的有效性。     

相邻两航天器相对运动近似方程的解析解及比动能方程

在地心引力场中，当目标航天器沿近圆轨道作无动力运动时，与目标航天器相邻的受控航天器相对于目标航天器的运动可以近似地用Ｈｉｌｌ方程描述。文章给出了受控航天器对目标航天器运动的推力速度随时间线性变化时Ｈｉｌｌ方程的解析解。并根据Ｈｉｌｌ方程导出了受控航天上对目标航天器运动的比动能方程。还讨论了比动能方程在上述两航天器轨道相遇和轨道交会问题中的应用。     

基于有限时间H2性能指标的导弹机动突防策略设计

针对导弹机动突防策略设计中存在的对主要性能指标缺乏综合评价手段的问题,基于有限时间H2性能指标,给出系统性能分析与设计的准则,综合考虑脱靶量和机动消耗的能量,设计了脱靶量/能量最优的机动形式。考虑拦截器制导律信息存在不确定性,提出了有限时间鲁棒H2性能分析方法与有限时间鲁棒H2保性能控制准则,设计了在拦截器制导律信息存在不确定性时的保性能机动。结果表明,突防导弹在拦截末段的大幅度机动最为有效,能够以较小的能量代价换取较大的拦截脱靶量。
     

基于滑模控制理论的前向追踪制导律研究

高超声速目标速度快,机动性高。使用传统拦截方式对目标进行拦截的难度过高,导致拦截精度下降。为了对高超声速目标拦截具有更高的制导精度,本文采用前向追踪拦截的方式对目标进行三维动态拦截仿真。根据目标与拦截器的运动学及动力学原理建立前向追踪拦截动态模型,该模型要求将低速拦截器置于高速目标之前;设计了一种基于滑模变结构控制理论前向追踪制导律,该制导律通过控制拦截器的法向加速度控制其飞行方向,从而达到拦截的目的;分析目标机动与非机动时拦截器的动态特性,并对目标在机动与非机动时与拦截器的运动轨迹及相关参数进行仿真,仿真结果验证了制导律的可行性。     

面向临近空间目标拦截的预测命中点设计方法

针对基于吸气式高超声速平台的临近空间目标拦截概念方案,考虑由于吸气式动力拦截平台飞行策略与火箭动力拦截弹的区别,导致传统预测命中点设计方法不适用的问题,开展面向吸气式高超声速平台的拦截预测命中点设计方法研究。首先,基于拦截空域最大的原则,结合吸气式动力飞行策略构建高超声速拦截平台的标准弹道族;然后通过将多约束拦截预测命中点设计问题分解为基于航程约束的拦截时间迭代计算问题和满足高度约束的拦截点的高效筛选问题,快速完成预测命中点规划。最后,通过仿真实验说明了提出的面向吸气式高超声速拦截平台预测命中点规划方法的有效性。     

基于追逃博弈的非合作目标接近控制

针对追踪航天器接近非合作目标任务中的相对位置控制问题,提出了一种基于线性二次型追逃博弈的控制方法。首先,将非合作目标接近问题转化为二人追逃博弈问题,并设计了二次型目标函数。其次,结合相对运动模型,建立了线性二次型追逃博弈模型。为得到纳什均衡策略,将HJ方程转化为代数黎卡提方程,并给出了李雅普诺夫迭代法对其求解。最后,对博弈控制方法的有效性进行仿真验证,结果表明,该方法能够在非合作目标机动时实现轨道接近控制。     

三体追逃攻防博弈分析与新型拦截制导律研究

研究分析了拦截弹、防卫弹和进攻弹的三体攻防博弈对抗问题。进攻弹相对拦截弹实施最优躲避,拦截弹相对进攻弹实施最优追踪,防卫弹相对于拦截弹实施最优追踪。针对不同作战场景,研究分析了拦截弹赢得三体攻防博弈的特定条件与区域。在特定场景下,拦截弹在命中进攻弹之前会被防卫弹拦截,无法仅通过应用最优追踪制导律完成攻防博弈任务。针对此场景,提出一种新型制导律,在拦截弹与防卫弹作战时间内,拦截弹相对于防卫弹执行躲避机动,同时保证相对于进攻弹的零控脱靶量最小。在对抗完成之后,拦截弹相对于进攻弹实施最优追踪制导,赢得三体攻防博弈。最后,多组仿真验证了本文分析得到的条件与结论,以及新型制导律的有效性。     

基于决策树的多防御方目标攻防决策

针对多方对抗博弈问题的复杂性和多样性,提出了利用决策树思想对多防御方的目标攻防问题的策略进行决策树分类,再利用决策树分类模型对多防御方的目标攻防问题的攻防策略进行快速决策。首先,对多防御方目标攻防问题利用决策树ID3算法以攻防双方的策略作为类别属性进行分类,得到多防御方目标攻防问题的决策树模型;然后,对多方对抗中的攻击方,基于距离的威胁权重函数得到攻击方的轨迹;最后,得到防御方的协同合作策略,并进行了仿真验证。     

失效航天器姿态接管的SDRE微分博弈控制

针对燃料耗尽的失效航天器姿态接管控制问题，提出多颗微卫星协同实现姿态稳定的状态相关黎卡提方程(SDRE)微分博弈控制方法。首先，将姿态接管问题转化为多颗微卫星的微分博弈问题，基于组合航天器的姿态模型和微卫星的性能指标函数建立多颗微卫星的非线性微分博弈模型，微卫星通过独立优化各自的性能指标函数得到控制策略。其次，引入状态相关系数矩阵，将非线性博弈转化为状态相关线性二次型博弈，采用SDRE方法更方便地逼近微卫星的博弈均衡策略。最终通过李雅普诺夫迭代法求解耦合状态相关黎卡提方程组得到微卫星的状态反馈控制器，实现微卫星的自主决策。数值仿真验证了多颗微卫星采用微分博弈控制方法实现姿态接管的有效性和容错性。     

动能拦截器运动伪装末制导律设计

针对动能拦截器末制导问题，基于运动伪装理论设计了末制导律和相应的脉冲宽度脉冲频率(PWPF)调节器。根据拦截器和目标在视线旋转坐标系下的相对运动关系建立了动力学模型。通过运动伪装特性得出的拦截条件推导出作用在视线法向上的制导指令表达式。在动能拦截器制导推力受限情况下，利用PWPF调节器调节制导指令。考虑系统的可控条件和拦截条件，对调节器参数进行了理论设计。运动伪装末制导律保证动能拦截器在制导过程起到伪装作用，具有较高的制导精度和较小的命中过载，同时经过参数设计后的PWPF调节器可以节省燃料。最后，通过数值仿真校验了所设计末制导律的正确性和有效性。     

半直接配点法在航天器追逃问题求解中的应用

采用半直接配点法求解时间固定两航天器追逃问题，提出一种新的数值求解追逃双方最优控制策略的方式，避免了求解非线性两点边值问题。在两航天器均为连续小推力假设条件下，以终端距离为支付函数，给出了半直接配点法求解此追逃问题的过程。在此数值方法中，根据半直接转换将微分对策问题转化为一个最优控制问题，由Gauss-Lobbato配点法最终将此最优问题转化为非线性规划问题，继而通过序列二次规划方法求解。这种半直接配点法避免微分对策问题最优策略的必要条件(两点边值问题)求解，并且数值稳定性好。数值仿真给出了追逃双发的最优控制策略和相应的追逃轨迹。     

Optimal sliding-mode guidance with terminal velocity constraint for fixed-interval propulsive maneuvers

An optimal strategy based on minimum control effort with terminal position and velocity constraints is developed for an exoatmospheric interceptor in order to generate effective intercept for fixed-interval propulsive maneuvers. It is then integrated with sliding-mode control theory to derive a robust optimal guidance law. In addition, this guidance law is generalized for intercepting an arbitrarily time-varying target maneuver. The new guidance method's robustness against disturbances and good miss distance performance are proved by the second method of Lyapunov and simulation results. The presented guidance law is simple to implement in practical applications and requires less acceleration command in comparison to optimal guidance law.     

一种基于CW方程的交会远程导引终端误差分析新方法

直接采用轨道坐标系的相对位置和速度描述交会远程导引误差会产生误差放大的不合理现象,对远程导引误差的精确分析需寻求新的误差描述与分析方法。本文在算例分析的基础上提出了一种基于CW方程的远距离导引终端误差分析新方法,并利用该方法建立误差模型分析远程导引的误差分布与传播。分析结果表明基于CW方程的远程导引误差模型能较为准确地描述远程导引终端的误差状态和后续传播情况,适合在实际工程中用于描述远程导引终端精度指标。