大气层内拦截战术弹道导弹制导控制技术研究

就国家导弹防御系统而言 ,在大气层内对来袭弹道导弹的拦截与在大气层外实行拦击目标具有同样的实际意义。因此 ,新一代的防空导弹必须有一定的反战术导弹的能力。本文主要讨论在高空 2 0km以下作为低层防御的拦截导弹制导控制系统设计的一些方法。提出了拦截命中点的预测方法和拦截交会可采用的制导规律     

基于拦截点的大气层外拦截弹中制导

针对拦截点给定的情况讨论了大气层外拦截弹中制导律的设计。证明显式制导的最优性,推导出常值引力场与平方反比引力场假设下拦截弹需要速度的表达式,分析了采用显式制导时推力方向在邻近关机时变化剧烈的原因,并通过构造需要速度的虚拟映射进行了改进。仿真表明,采用改进的显式制导,发动机工作时间有所增加,但邻近关机时推力方向平稳。     

交会角对制导性能的影响

对于拦截高速、大机动目标的制导律而言,需用过载以及拦截弹过载能力直接影响 制导性能。对于任意给定的特定制导律,需用过载不但直接与目标机动加速度有关,而且与 弹目相对运动关系有关。以拦截过程基本准则为基础,通过对弹目相对运动学分析和推导, 给出了不同弹目速度比情况下交会角对制导律需用过载的影响关系。研究结果对于拦截弹的 弹道设计具有指导意义,结果表明：当弹目速度比大于1时,目标机动对制导律需用过载要 求随交会角增加而减小;当弹目速度比小于1时,目标机动对制导律需用过载要求随交会角 增加而增大。〖JP〗     

大气层外拦截弹中段制导研究

大气层外拦截弹中制导的终端约束是拦截弹处于零控拦截流形上。针对目标与拦截弹引力加速度差的几种简化模型,推导了相应的零控拦截流形表达式,并进行了定量的精度分析。在此基础上,针对耗尽关机的固体燃料发动机,设计了基于剩余速度增量的制导律。通过构造虚拟剩余速度增量映射避免了剩余速度增量带来的计算奇异,并提高了制导精度对装药燃速偏差的鲁棒性。仿真表明,采用该制导律推力方向平稳,制导精度与相应的零控拦截流形精度相当且鲁棒性好。     

逆轨拦截机动目标的三维最优制导律

以大气层内导弹逆轨拦截高速机动目标为背景，本文运用最优控制和双曲正切函数设计带角度约束的三维最优制导律。分别假设导弹弹道倾角和弹道偏角保持瞬时恒定，将三维制导分解为两个相互垂直平面内的二维制导。考虑导弹速度时变的情况，建立带角度约束的制导方程。设计一种双曲正切函数的变种，并将其设为脱靶量和角度约束的权重系数，根据极小值原理推导了最优制导律的解析表达式。双曲正切函数变种的引入，使得制导律对脱靶量和角度约束的要求是逐渐增强的，可以解决传统最优制导律初始段过载指令过大的问题。仿真结果表明了该制导律的有效性。     

不确定因素对制导律的影响

在文中讨论了大气层外三维拦截问题,得到了三维拦截问题的闭合制导律,在那里没有考虑目标的不确定机动及其它不确定(但非随机)的因素。实际上,即使目标不作机动,也总是存在着事先无法确定的因素影响着制导系统。如果在处理拦截问题时全然不考虑这些不确定因素的影响,那势必影响命中目标的任务,致使拦截目的难于达到。在讨论拦截     

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。     

基于轨迹预测的高超声速飞行器拦截中/末制导研究

针对因高超声速飞行器全程飞行速度快且具较强的机动能力,导致中末制导需用过载超出可用过载,采用传统制导律难以满足拦截需求的问题,对一种基于虚拟目标的高超声速飞行器轨迹拦截方法进行了研究。基于目标Singer运动学模型和量测模型,用扩展卡尔曼滤波(EKF)估计目标运动信息,将预测命中时刻目标运动轨迹作为虚拟目标点,考虑拦截交会角约束,采用针对虚拟目标的中制导拦截策略,在末制导段采用比例修正制导。通过随距离可变的末制导过渡段指令,以避免中末制导弹道交班的过载抖动。仿真结果表明:基于虚拟目标点高超声速目标拦截能有效减小末端弹目交会角同时降低需用过载。为降低中制导误差,可在拦截过程中实时更新一次虚拟目标的预测结果。该法可用于高超声速飞行器拦截,以及其他大机动目标的轨迹预测和拦截。     

一种离散非线性末制导律

在空间拦截中，导弹产生饱和梯形波推力和三角形脉冲推力。用非线性精确线性化理论获得的制导律是连续制导律，它适用于导弹在大气层内飞行，不适于导弹在大气层外飞行。本文研究了非线性末制导律离散实现的解析法，用该方法获得的离散末制导律适用于导弹在大气层外飞行。     

基于零脱靶量设计的前向追踪拦截滑模制导律

在拦截高超音速目标时,传统拦截制导律要求拦截弹速度更高,由此带来拦截弹的能量和控制等诸多难题.本文设计了一种基于零脱靶量的前向追踪拦截滑模制导律,实现了低速拦截弹拦截高速目标.首先分析了前向追踪拦截模型,该模型将低速拦截弹放置在高速目标前方飞行,通过控制拦截弹的飞行方向,可以达到拦截目标的目的;然后给出了前向追踪模型下理论脱靶量在目标机动和非机动两种情况下的数学表达式;最后以目标机动情况下的理论脱靶量为滑模面,设计了一种基于滑模控制的前向追踪拦截制导律.仿真试验验证了该制导律的可行性和高精度、低过载的特点.     

带多约束条件的次最优中制导律设计

针对使用捷联式导引头的制导弹药,设计了次最优中制导律,以满足卫星制导与激光制导两种模式的交接要求。由于涉及到时变系统的解析求解,一般情况下,带多约束条件最优制导律的设计非常困难。利用以下的方法来解决这一问题：首先根据最优控制理论确定次最优中制导律的结构框架,然后根据该框架反向推导出变参数的合理常数替代值。利用设计的次最优中制导律,在交接段,导引头量测视线偏差角远小于视场角,并考虑了控制能量和落地时脱靶量等方面的约束要求,具有非常简单的形式,仅较比例导引律多出一项,减少了制导指令计算对弹载计算资源的占用。     

一种非线性最优导弹制导律

以质点飞行器的非线性运动方程为基础，研究了导弹拦截目标问题。运用线化变换理论和线性二次型微分对策理论，导出了导弹和目标的最优控制策略，对导弹最优策略进行了综合分析，给出了一种可以实时实现的最优制导律。并以某型中远程地－空导弹的气动数据和数学模型为基础，进行了全弹道拦截数字仿真，仿真结果表明：该制导律在减少终端脱靶量方面比空间比例导引的效果好。     

基于预测零控脱靶量的拦截器中制导段导引

针对三维空间内的高速飞行目标,提出了一种基于预测零控脱靶量的中制导段导引方法。建立了拦截器与目标的相对运动关系模型,分析了确定修正轨道的约束条件,并在此基础上推导出修正轨道根数的计算方法。同时根据待增速度给出了推力定向和推力发动机工作时长的确定方法。仿真结果表明,该方法能有效实现拦截器中制导段的制导控制。     

大气层外拦截器关机基准制导法研究

大气层外拦截问题中 ,针对拦截弹飞行中段采用工作时间固定的固体燃料发动机的情况 ,提出一种关机基准中段制导方法。当发动机的推力特性给定时 ,通过估计关机时刻目标相对于拦截弹的运动状态 ,按照关机时刻相对速度垂直于视线方向的分量为零的原理来确定推力矢方向。仿真计算表明 ,对于拦截近程弹道目标的情况 ,这种制导方法可有效降低拦截脱靶量     

面向中末交接班的临近空间拦截弹弹道优化

针对反高超声速目标拦截弹中末制导交接班窗口小、变化快引起的交接班难题,设计了带终端位置和速度指向约束的拦截弹中制导弹道。首先,考虑交接班时间、动压、热流、过载、控制量以及终端弹道倾角等约束,建立了拦截弹纵向平面中制导弹道优化模型;其次,构建了中制导段的弹目拦截几何,提出了能量受限的侧窗探测拦截弹中末制导交接班窗口概念,并将其作为拦截弹中制导段弹道设计的终端约束条件;然后,基于hp自适应网格细化方法设计了面向中末交接班的优化弹道。仿真结果表明,所构建的中末制导交接班窗口条件完备有效,能较好描述中制导末端约束条件,所设计的优化算法收敛速度快、求解精度高。另外,通过仿真提出了临近空间拦截弹宜采用背风探测的交接班方案。     

三维非线性变结构寻的制导律

建立了球坐标系内的三维导弹与目标相对运动模型，基于零化导弹与目标的视线角速度设计了非线性三维变结构鲁棒末制导律。该制导律考虑了更一般的拦截情况，不依赖于碰撞线附近线性化的假设，克服了剩余时间的估计误差对制导精度的不利影响。仿真结果表明，该制导律对于目标做复杂的大机动逃逸运动，仍然能够取得较好的脱靶量。     

攻击角度约束下的分布式强化学习制导方法

为提高导弹在攻击角度约束下对目标的打击效能，提出了一种基于深度确定性策略梯度算法的分布式强化学习制导策略。为了最大限度地减小攻击角度误差，设计了一种新的奖励函数，使导弹在满足视场角约束的同时，视线角向期望值收敛。此外，为了增强强化学习模型的泛化能力，提出了一种分布式探索策略，提高了模型训练过程中对环境的探索效率。仿真结果验证了所提出的分布式强化学习制导方法能够在固定攻击角度约束下实现对目标的精准打击。与传统制导律相比，所提制导方法的攻击角度误差更小，收敛速度更快。     

地-月低能耗转移轨道中途修正问题研究

采用地-月低能耗转移轨道的探测器从地球停泊轨道转移到极月轨道一般需要3~4个月时间,这类转移轨道对入轨精度有较高的要求。本文对地月转移轨道中途修正问题进行了研究。文中结合地-月低能耗转移轨道的特点,给出一种分段式多目标多次中途修正方案。利用显式制导结合牛顿迭代,分别以地球和月球作为中心天体求解兰伯特问题,在假设探测器各种轨道误差的基础上进行了蒙特卡罗仿真。采用该方法一般需要3~5次中途修正能够满足月球探测器环月轨道入轨精度要求,整个转移过程燃料消耗小于传统地月转移轨道。文中给出的仿真结果验证了该方案的可行性。