主动防御的最优预测协同制导律研究

飞行器面对来袭导弹威胁时，可通过主动发射防御导弹的方式确保自身安全，这种方式称为主动防御.针对主动防御任务中传统制导律性能较差的问题，本文基于预测制导思想提出了一种高效的三维制导策略.建立了飞行器载机、来袭导弹和防御导弹的三维相对运动学模型，将迭代计算与经典制导律相结合，可对预期拦截点进行实时预测，并将其设定为虚拟目标，再设计制导律对虚拟目标实施追踪.预测制导策略建立在将高速来袭目标转化为低速虚拟目标的思想上，从而提高了拦截性能.通过非线性模型的数值仿真，验证了在应对机动的来袭导弹时，主动防御预测制导律相对于此前的方法所需的制导过载更小，脱靶量更小，制导能量损耗更小，拦截包线更大.     

带约束碰撞角的顺/逆轨制导律设计

针对逆轨、顺轨拦截模式,提出了带末端约束碰撞角的ACPN(Angle Control Proportional Navigation)、ACRPN(Angle Control Retro-Proportional Navigation)2种轨迹成型制导律.将线性的比例制导(PN)/负比例制导(RPN)作为标称指令,将碰撞角约束作为反馈指令,以相对加速度建立微分方程,得到了ACPN、ACRPN制导律.ACPN使用正比例系数,逆轨拦截目标;ACRPN使用负比例系数,顺轨拦截目标.与现有的研究结果进行仿真对比:ACPN具有耗费控制力少、末加速度小的优势;ACRPN的控制力、脱靶量、碰撞角误差较逆轨拦截优势明显.此外,分析了拦截高速目标的捕获区域.结果表明,ACPN比偏置比例导引的捕获区域大.当拦截弹的航迹角小于π/2+λ_i时(λ_i为初始视线角),宜采用ACPN(逆轨模式)拦截目标,拦截弹的航迹角大于等于π/2+λ_i时,宜采用ACRPN(顺轨模式)拦截目标.      

双拦截弹拦截单目标边界型微分对策制导律研究

针对战术弹道导弹、高超声速巡航导弹和无人飞行器等新型具有高机动性能的防空目标,为提高成功拦截的概率,采用多枚拦截弹进行拦截。应用微分对策理论,将双拦截弹拦截单目标的末段制导问题建模为“二对一追踪-逃逸”对策模型。考虑最大加速度约束,研究了两枚拦截弹的拦截空间分解和对策空间分布,并通过仿真研究了制导律性能。结果表明：采用两枚拦截弹拦截时,脱靶量对目标机动方向的转变时间具有很好的鲁棒性。     

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。     

脉冲型逻辑切换飞行系统的制导控制律设计

探讨了气动舵面和侧向喷流复合控制模式下拦截弹飞行系统的制导与控制.由于高空气动力不足,同传统的只装配气动舵面的拦截弹相比,为改进对于机动目标的拦截精度,将侧向喷流装置引入以增加导弹的机动能力.使用脉冲型混杂切换系统对侧向喷流导弹动力学进行描述;滑模制导律和决定侧向喷流装置开启策略的逻辑切换律被提出用于产生期望制导指令.仿真和比较证实:滑模制导律和逻辑切换律对目标机动敏感,末端脱靶量很小(<0.1 m),拦截弹动能碰撞杀伤目标.      

拦截高速目标的全向真比例制导律研究

针对高速目标拦截问题,提出了能自动选择拦截模式并调整拦截弹速度,兼具顺、逆轨拦截能力的全向真比例制导律(OTPN),该制导律可以满足对高速目标实施全向拦截制导的需求。本文在高速目标的比例拦截制导研究中,发现存在2个满足成功条件且比例关系符号相反的制导终点,分别对应顺、逆轨拦截模式;在制导律的设计中综合控制加速度限制因素,通过制导比例关系的正负变换放宽了初始拦截约束条件。数值仿真结果验证了OTPN的正确性和有效性,与其他制导方案的拦截仿真比较表明:同等拦截条件下OTPN的捕获范围、拦截时间和总控制量需求等参数均优于经典比例和负比例制导律;通过捕获能力仿真,研究了控制加速度上限和比例系数取值对OTPN拦截捕获能力的影响。      

THAAD增程型拦截弹预测制导方法

根据公开资料对THAAD增程型拦截弹建模，针对大射程的特点规划了高抛弹道，生成标准弹道族。提出了迭代预测命中点法，利用解析方法计算剩余飞行时间，基于多项式拟合法寻找标准弹道，确定预测命中点，完成预测制导任务。将迭代预测命中点法与迭代飞行时间法进行对比，迭代预测命中点法初值选取容易，程序运行时间减少20%，制导过程中无需调用标准弹道文件，节省了计算机存储空间。通过改变射程、航路捷径对预测制导方法进行仿真验证，结果表明，拦截弹拦截射程可覆盖到600 km，并且能完成存在航路捷径时的拦截任务，平均脱靶量在200 m以内，应对气动不确定性的效果良好。      

主动防御飞行器的范数型微分对策制导律

针对具有主动防御能力的飞行器受到攻击导弹的威胁后发射一枚导弹进行防御的制导问题,基于微分对策理论对飞行器和防御弹的制导律进行了设计和分析。首先,对于飞行器、防御弹和攻击弹的侧向控制均有界的情况,基于一种范数型的性能指标推导得出了对策三方的最优制导策略。然后,当攻击弹采用不同制导策略时,对飞行器和防御弹能够对策成功的条件进行了分析,给出了飞行器能够实现逃逸和防御弹能够完成拦截的最小机动条件。最后,进行了非线性仿真,结果表明了所提制导律的有效性,并验证了飞行器若要逃脱攻击弹需满足其最小逃逸机动条件,防御弹若要拦截攻击弹需满足其最小拦截机动条件。      

基于预测碰撞点的剩余飞行时间估计方法

分别针对顺轨与逆轨拦截飞行轨迹的特点,设计了相应的剩余飞行时间（TGO）估计方法。该方法通过对弹目碰撞点的预测,降低了发射条件差异对TGO估计精度的影响。首先对线性比例导引运动方程进行变形,得到拦截弹飞行轨迹关于弹目距离的一阶微分方程,基于预测碰撞点,对不同初始发射角造成的积分结果误差进行修正,得出了2种拦截模式下的TGO解析表达式。通过与3种现有估计方法对比分析,验证了提出方法的实时性和估计精度,且能够优化制导性能。      

多拦截器总体拦截方案设计与分析

多拦截器(MKV,Multiple Kill Vehicle Interceptor)通过采用一个运载母仓携带多个小型动能拦截器对目标实施动能拦截,有望克服传统动能拦截武器多目标识别及拦截的难题.以MKV对远程弹道导弹多弹头中段拦截为背景,设计了MKV的总体方案,分析了MKV基本作战流程;并分别针对MKV制导策略、释放策略、MKV机动能力对拦截的影响以及MKV目标分配策略等几个关键问题开展研究.仿真分析表明,采用所设计的MKV方案能够实现对远程弹道导弹多弹头的拦截.     

基于动态逆的空空导弹奇异摄动中制导律

结合奇异摄动和动态逆方法,以飞行时间和末端能量的线性组合为性能指标,推导了一种近最优中制导律.导弹状态方程根据状态变量时间常数写成三时间尺度系统.降阶系统包括纵程、横程和比能动力学方程.用最优控制理论求解出降阶系统最优解,即原系统的外解.动态逆应用于边界层修正,得到一个闭环控制器,其性能可根据爬升、高空等高飞行和下滑阶段或其他情况的不同要求进行调整.仿真结果表明:该制导律满足了对弹道平滑度、飞行时间和末端能量的要求.中段末端航向误差小,为中、末制导的平稳交接班提供了保障.      

深空探测转移轨道自主中途修正方法研究

针对深空转移轨道,提出以B平面参数为终端参数,采用脉冲控制和线性制导的自主中途修正方法.由自主导航系统定期确定探测器的当前位置和速度,之后利用精确动力学积分递推状态至B平面,得到打靶误差,若误差超出目标精度范围又在自主修正系统修正能力范围内,则立即利用以B平面参数为终端参数的线性制导公式并结合牛顿迭代计算出修正轨道的速度增量.利用中心差分公式计算终端参数对控制参数的敏感矩阵.蒙特卡罗仿真表明,在小偏差前提下该方法能够达到制导目标.     

末制导导引头定位精度的雷达误差分析

研究复合制导的战术导弹中末制导交班的导引头预定精度问题.提出用小扰动法分析导引头预定参数对误差源的误差敏感性关系.以中远程防空导弹为例,结合导弹运动方程组和目标运动模型,计算了中末制导交班的导引头预定参数,并计算了在制导站雷达测量误差下的末制导导引头预定参数的计算精度.可知,导引头定位参数的计算误差随着弹目距离的接近而显著增大,得到中末制导交班不能太晚的重要结论.     

导弹摆动式突防策略的有效性

以突防概率作为评价标准,研究了突防导弹作正弦摆动突防机动时的突防效果.拦截-突防问题的模型为线化平面相对运动方程.用共轭系统分析法,得到了该模型在突防导弹摆动式突防策略的作用下,拦截导弹的脱靶量解析解,它由暂态分量和稳态分量组成.研究了突防持续时间按正态分布时导弹的突防概率以及这两部分对突防概率的贡献.     

快速爬升的奇异摄动中制导律设计

为满足实际作战的要求,基于最优控制理论和奇异摄动方法,提出了一种可保证中远程空地导弹快速爬升到最优高度的中制导律.它由变系数最优爬升控制,最小能量巡航控制和最小能量下滑控制组成.为了减小爬升段控制对下滑段的影响,提出了一种新的控制逻辑.最后针对某型空地导弹进行了仿真.结果表明,该中制导律较好地满足了中远程空地导弹在中制导段的要求.本文的研究结果具有较好地工程参考价值.