机动目标拦截的变结构制导律设计与实现

考虑目标机动和弹体动态特性,研究了导弹末制导律设计与实现问题。在切换函数的设计中应用增广比例导引的思想对目标的逃逸机动进行补偿;设计了变结构制导律,使得导弹的实际横向加速度具有增广比例导引的形式,来减弱弹体动态特性对制导精度的影响。在制导律实现过程中,应用高增益观测器对视线变化率进行了估计,同时通过将观测器进行二次扩张,实现了对目标机动加速度及其变化率的快速估计。最后进行了数值仿真验证,仿真结果说明了方法的有效性。     

一种改进的观测器算法在制导中的应用

研究了导弹视线角和视线角速度可测情况下的制导信息估计问题,给出了一种改进的CB观测器(Cost-Based Observer)设计算法。基于非线性平面拦截模型,将目标机动看作一阶马尔可夫过程建立了制导信息滤波的非线性状态方程并将其化为SDC模型。针对系统能观性不足问题,提出了多状态相关系数矩阵加权组合的方案对CB观测器进行改进。并将其用于估计弹目相对距离、相对速度和目标机动加速度,利用估计的制导信息进行制导计算并与制导信息完全可测情况进行比较研究。最后,采用比例导引律进行仿真,结果表明本文所设计的观测器估计精度较高,且能满足制导性能要求。     

带扩张观测器的新型滑模导引律

在精确制导问题中,为克服目标机动和弹体动态特性对制导精度的影响,建立了平面内的弹目相对运动模型,在此基础上建立考虑导弹动态特性的制导模型;为提高末制导精度,设计了考虑导弹动态特性和目标机动的自适应滑模导引律;为了实现该导引律,利用带有滤波器的扩张观测器估计视线角速率、视线角加速度、目标机动加速度及其变化率等制导信息。仿真结果表明,扩张观测器收敛速度快、估计精度高,且具有较强的抗干扰能力;在不同机动条件下,所设计的考虑导弹动态特性的含扩张观测器的改进滑模控制律相比于比例导引律、增广比例导引律和滑模导引律具有较好的导引性能。     

微分对策制导规律与改进的比例导引制导视规律性能比较

本文根据现代战争敌我双方对抗格局，提出了防空导弹拦截高速大机动目标，采用微分对策强迫奇异摄动方法零阶组合反馈解析解制导规律。这种制导规律只需要导弹和目标的位置、状态变量和法向过载的测量量，易于弹上实时实现。为了证明该制导规律的良好性能，文中给出了另一种改进的比例导引制导规律，并以某防空导弹为研究背景，对两种制导规律的性能进行了比较。结果表明微分对策制导规律的弹道参数特性比改进的比例导引制导规律好得多。     

微分对策制导规律与改进的比例导引制导规律性能比较

本文根据现代战争敌我双方对抗格局 ,提出了防空导弹拦截高速大机动目标 ,采用微分对策强迫奇异摄动方法零阶组合反馈解析解制导规律。这种制导规律只需要导弹和目标的位置、状态变量和法向过载的测量量 ,易于弹上实时实现。为了证明该制导规律的良好性能 ,文中给出了另一种改进的比例导引制导规律 ,并以某防空导弹为研究背景 ,对两种制导规律的性能进行了比较。结果表明微分对策制导规律的弹道参数特性比改进的比例导引制导规律好得多     

一种攻击大机动目标的组合导引律

在分析经典导引律和现代导引律内在联系的基础上,利用有限可获的制导信息,提出了一种新的组合导引律,由比例项和前置角项组成,力图综合经典导引律和现代导引律的优点,结构简单,易于工程实现,并在基于目标大机动规避的假设下给出了机理解释;通过仿真验证,此方法具有末段弹道平直的优点。     

有限时间收敛变结构导引律

对于拦截机动目标问题,传统方法中基于Lyapunov稳定性理论获得的导引规律,在数学原理上只能保证当时间趋于无穷时视线角速率趋于零.基于非线性控制系统有限时间稳定性理论,提出了制导系统有限时间收敛的充分条件和一种形式简洁的有限时间收敛变结构导引规律.证明了在目标一导弹相对接近速度为常数,而且目标机动条件下,该导引律令视线角速率在末制导结束前收敛到零.最后以某拦截问题为实例对导引律的有限时间收敛性质进行了数学仿真验证.     

考虑导弹自动驾驶仪动特性的三维非线性导引律

基于三维球坐标系下目标-导弹相对运动方程,考虑导弹自动驾驶仪动态特性,应用递推Lyapunov方法设计了一种三维非线性导引律.在设计的过程中,不需要消去三维制导动力学方程中的非线性耦合项,使得导引规律的最终表达形式得以极大简化.该导引律有效地克服了导弹控制系统的动态延迟对制导精度的影响.仿真结果表明,在目标做大机动逃逸,导弹自动驾驶仪存在较大滞后情况下,这种导引律仍具有很高的制导精度.     

以特殊角度攻击地面固定目标的圆周导引律

针对某些导弹以特殊角度攻击地面固定目标的任务要求,提出了一种仅利用视线角测量信息就能实现末速方向控制的圆周导引律。该导引律的基本思想在于控制导弹沿着一系列由导弹和目标的实时位置及要求的命中点角度所确定的圆弧飞行。利用简单的几何原理即可快速解算出各时刻所需要的速度倾角,并将其转换成制导指令。仿真结果表明,与典型的最优导引律相比,圆周导引律更适合于过顶迂回攻击的情况,且受制导周期的影响较小,但受制导指令时延的影响较大。     

目标加速度未知下的导弹自适应滑模拦截制导

针对机动目标拦截过程中加速度信息难以获取的实际问题，设计了一种基于RBF神经网络的自适应滑模拦截制导律，有效提高了导弹制导系统的鲁棒性能。首先，结合空间几何知识，构建了弹-目三维空间相对运动模型；然后，利用RBF神经网络对拦截目标的未知加速度进行了有效估计，消除了制导设计对目标加速度信息的依赖性；在此基础上，结合零化视线角速率的制导理念，分别在导弹俯仰平面和偏航平面设计了对应的自适应滑模制导律，同时采用连续高增益法削弱了系统的抖振现象，并给出更符合导弹制导实现的法向过载指令，利用Lyapunov定理证明了所提方法的收敛性；最后，通过仿真验证，在三种不同的拦截场景下进行了仿真对比，仿真结果表明所提滑模拦截制导律对目标机动有较高的自适应性和鲁棒性。     

拦截机动目标的运动伪装制导律

设计了一种基于运动伪装策略的拦截制导律。首先根据弹目相对位置关系得出双二阶动力学模型,依据运动伪装策略的运动特性给出导弹拦截目标的条件。然后利用此条件并结合弹目相对运动关系推导三维空间下的制导律。在推导过程中发现,原来的三维制导律设计可以简化为二维平面内设计,从而降低了设计难度。通过加入对目标机动的估计,给出一种适用于三维空间拦截的二维导引律。最后对该制导律进行仿真校验,并与纯比例导引律进行仿真对比,仿真结果表明所设计的制导律满足制导精度的需求。     

一种新的变结构制导律研究

在非线性相对运动学基础上提出了一种新的变结构制导律。变结构制导律仅利用了目标加速度界限的信息,因而在拦截过程中,并不需要精确的测量目标加速度,也就是取得了对目标机动的鲁棒性。在执行上,变结构制导律仅使用了视线转率测量值,因而和比例导引同样简单。仿真结果表明,所提出的制导律与比例导引相比有较大的性能改善。     

基于零脱靶量设计的变结构末制导律

对于三维目标拦截问题,提出了一种新的具有强鲁棒性的末端导引律。该方法将目标的机动加速度视为已知的有界扰动,考虑了导弹自动驾驶仪的动态特性,基于导弹对目标的零脱靶量综合设计了非线性三维变结构鲁棒末制导律。理论分析与数字仿真表明这种制导律不但具有优良的弹道特性,而且对目标机动都具有很强的鲁棒性和适应性,同时方法简单,易于理解,便于工程应用。     

基于LQR/SMVS的鲁棒最优制导律研究

针对导弹在拦截机动目标的特点,以最优控制中的线性二次调节(LQR)和滑模变结构(SMVS)为理论基础,推导出一鲁棒最优制导律。它综合了LQR和SMVS的优点,不仅脱靶量和消耗能量小,而且对目标机动等干扰不敏感,具有鲁棒性。仿真结果表明,所得制导律具有良好的性能,具有一定的应用价值。     

一种适用于月球跳跃返回的改进解析预测校正制导律

解析落点预测-校正制导律具有计算量小的特点,适用于月球返回舱机载计算机的在线计算,针对其对远航程适应性差的问题,提出了一种改进的解析预测制导律。通过调整上升段的控制增益,减小返回舱飞离大气层时刻实际状态与标准状态的偏差,对飞出大气层的速度进行修正以补偿弹道段空气阻力引起的航程减小。二次再入段采用数值预测-校正制导,利用逐步校正的方法,解决了收敛问题,避免了复杂的基准弹道设计过程。数值仿真表明,所设计的制导律能够适用于远航程情况,在具有初始位置偏差、质量偏差、气动偏差、大气偏差的情况下,终端位置精度在5km以内,表明该制导律具有良好的鲁棒性,该制导律具有在线实施的潜力。
     

带末端攻击角约束连续有限时间稳定制导律

针对制导武器末端攻击角约束与末端弹道尽可能平直的要求,应用有限时间控制方法,设计了具有末端攻击角约束的连续有限时间稳定制导律,使闭环制导系统在有限时间内视线角速度收敛到零和视线角收敛到期望值。通过非线性控制系统的有限时间稳定齐次性理论对该制导律进行了分析,证明了闭环制导系统的视线角速度和视线角全局有限时间稳定特性,并基于有限时间Lyapunov稳定性理论给出了闭环制导系统有限停息时间的表达式。在实例应用仿真中,比较了该制导律与最优制导律的制导性能,检验了该制导律在不同作战任务下的制导效果。仿真结果证实了该制导律的有效性和鲁棒性。     

一种多约束条件下的三维变结构制导律

针对现代空地导弹多约束、高精度制导的基本需求，从末段精确制导问题的三维数学模型出发，利用虚位移概念构建弹目相对运动关系，结合滑模变结构理论的基本特点，推导出一种满足制导精度、落角和入射角多约束条件的三维变结构制导律。并利用滑模理论构建非线性观测器，对未知量进行估计和预测。最后通过典型弹道的仿真，验证了本文提出的制导律的良好性能和较强的通用性。结果显示该制导律具有较强的鲁棒性和自适应能力，能较灵活地解决各约束量间的平衡关系。     

拦截大气层内机动目标的自适应积分滑模制导律

针对大气层内机动目标拦截的末制导问题，提出了一种自适应积分滑模制导律。基于抑制弹目视线旋转的原则，设计了一种视线转率收敛速率可调的跟踪剖面，选取跟踪误差与其积分为状态变量，采用状态有限时间收敛的积分滑模面与快速趋近律推导得到了积分滑模制导律。为了处理未知的目标机动项，提出了一种自适应算法，对目标机动项上界的平方进行估计，构成了自适应积分滑模制导律，并证明了其有限时间收敛的特性，给出了各状态变量的收敛域。最后，将制导律转换成适用于大气层内拦截的形式。仿真结果表明，所提制导律能够精确拦截机动目标，剖面跟踪误差收敛速度快，过载分布均匀，能量消耗少，并具有良好的噪声特性，易于工程实现。     

基于红外/毫米波复合制导律设计

基于红外/毫米波复合导引系统,针对空地导弹攻击地面目标问题,提出了一种新的具有强鲁棒性的非线性末制导律.基于弹目相对运动学的非线性关系,以相对距离作为状态,同时将目标机动作为系统有界扰动,建立了弹目相对运动的数学模型.基于红外和毫米波复合导引系统获得的测量信息,采用滑动模态控制方法,以优化制导精度为目标,设计了一种自适应非线性变结构控制律.该方法利用Lyapunov稳定理论严格证明了制导闭环系统的全局渐近稳定性.数字仿真表明,这种制导律对地面运动目标具有很强的鲁棒性和适应性,并能获得良好的制导精度.