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.     

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。     

基于Singer模型的高超声速飞行器轨迹跟踪与预测

目标运动轨迹预测有助于拦截弹在中制导准确飞往预测命中点,降低中制导修正偏差消耗的能量,对于高速高机动类目标的拦截至关重要。针对非弹道式高超声速飞行器的周期跳跃运动特点,提出了结合Singer模型的扩展卡尔曼滤波方法对目标运动状态进行估计。利用滤波估计值及双正弦和函数拟合加速度曲线,进一步递推目标运动轨迹。仿真结果表明,提出的方法对高超声速目标具有较好的弹道跟踪和预测精度。     

飞行器制导方式研究和仿真实现

在拦截问题中，拦截器经初、中制导阶段，进入末制导阶段。主要研究末制导段两种方式的制导律，即滑动模态制导律和趋近零控拦截曲面的制导律。应用Matlab与STK软件对使用上述两种制导律的航天器的追踪问题进行了联合仿真，给出了可视化的结果。仿真结果显示出，这两种制导律都能满足制导精度要求。     

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.     

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。     

直接侧向力控制导弹的自适应模糊变结构末制导律设计

针对采用直接侧向力控制的敏捷性导弹，提出了一种适州于拦截大机动目标的自适应模糊变结构末制导律。由于采用了直接侧向力控制方式，提高导弹末段机动过载和快速响应能力的同时，也使得系统具有高度耦合非线性和参数不确定性。采用所设计的制导律在制导系统中不确定性函数为未知的情况下，利用自适应模糊系统的万能逼近能力以任意精度进行逼近，由此克服了模型小确定性和外界干扰对制导系统的影响。并通过引入目标最大机动加速度自适应算法，使得这种制导律中的变结构项具有变增益能力，能够适应目标各类机动的情况。仿真结果表明，该制导律对大机动目标具有较强的鲁棒性，并对各类机动目标均有较高的制导精度。     

动能拦截器末制导控制系统建模与仿真

对动能拦截器末段拦截的制导与姿态控制系统进行建模和仿真分析。首先建立末制导系统模型,其中包括拦截器结构模型、六自由度动力学与运动学模型、测量模型和制导控制律模型。重点分析了拦截器质心位置误差和发动机推力偏心造成的推力和力矩误差,以及由此造成的轨控系统与姿控系统的相互影响。采用一种分段末制导律,并将基于相平面分析的方法用于姿态控制律设计,以克服干扰力矩的影响。仿真分析表明,采用相应的轨控和姿控方案,能保证系统的稳定性,对目标进行成功拦截。     

临近空间高超声速目标及其防御

介绍了美国临近空间高超声速飞行器的发展历程,分析了临近空间高超飞行器的战略意义和目标特性.根据临近空间高超声速目标对防御系统预警能力时间性、高速机动目标精确探测、拦截弹机动过载和高精度制导控制等要求,阐述了预警探测系统、指挥控制系统和拦截武器系统可采取的措施.     

导弹拦截H_∞鲁棒制导律设计

针对导弹在目标拦截过程中的特点,以H∞控制理论为基础,应用Lya-punov函数稳定性的分析方法设计了寻的导弹鲁棒制导律.该制导律中将目标机动看作系统的有界外部扰动,导弹的法向加速度作为控制输入,通过参数设置导弹的弹道性能,不需要对目标机动信息进行估计并且避免了复杂的Hamilton-Jacobi不等式的求解.仿真结果表明此制导律具有较好的鲁棒性和拦截效果,对外部扰动起到了很好的抑制作用.     

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。     

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。     

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。     

一种强鲁棒变结构制导设计

传统制导拦截模型可用一组方程来描述,由于该方程是耦合的,对其进行制导律的设计时,往往假定导弹在瞄准线方向不可控,但这样必然产生较大的模型误差。文中将传统制导方程进行变换得到其状态空间形式,根据导弹和目标各自加速度沿瞄准线(LOS)方向及其垂直方向的分量之间的物理关系对状态方程降维,然后通过引入有界参数变量,得到含有控制不确定性和外部干扰的描述形式,进而按照不确定系统变结构控制原理设计了制导律。由于制导律设计时考虑了导弹法向加速度分量的相关性、不同状态对拦截模型不确定性影响和外部干扰,所以具有强鲁棒特性.仿真结果表明这种制导律在合理参数选取下其抗目标机动能力强、脱靶量小、过载要求低、无控制抖动问题。
     

高超声速目标拦截末段交战窗口快速生成方法

针对高超声速目标拦截问题，提出了拦截器的末段交战窗口(TEW)快速生成方法，该窗口表征了所有可行的末段交战阵位。首先，针对高超声速非机动目标建立了解析形式的拦截条件。在此基础上，针对非机动目标和机动目标，依次推导了TEW边界的解析方程。同时，根据拦截器的最小和最大初始航向角，定义并计算了TEW内所有位置的可控裕度。最后，通过对高超声速目标TEW仿真，验证了所提出方法的有效性，并分析了TEW边界和可控裕度的影响因素。与传统数值方法相比，本文解析方法生成的TEW边界一致，但计算耗时大幅减小，具有在线使用的潜力。此外，仿真结果也表明，当目标信息存在测量误差时，所提出的TEW生成方法依然有效。     

考虑复合控制系统动态特性的前向拦截制导律

为满足临近空间拦截高速大机动目标的实际需求,研究了考虑直接力/气动力复合控制动态特性的前向拦截制导律设计方法。在考虑连续气动力和离散直接力特点的基础上,给出了一种在气动舵控制基础上设计连续直接力、然后通过冲量等效法进行离散化的直接力设计方法,避免了复杂的控制分配问题。根据二维前向拦截导引运动学模型和拦截导弹动力学模型,利用时间尺度分离,将拦截导弹和目标的质点运动学与加速度慢变子系统构成的动态系统,看成慢变子系统,设计了俯仰角速度指令;将俯仰角速度动态子系统看成快变子系统,通过对俯仰角速度指令的跟踪控制设计得到考虑复合控制系统动态特性的前向拦截导引律。仿真结果校验了本文方法的正确性和有效性。     

多约束螺旋机动变结构制导律设计

为提高高超声速飞行器俯冲段的精确打击和突防生存能力,提出了一种多约束螺旋机动滑模变结构制导方法。首先,基于双平面解耦思想,分别建立了俯冲平面和转弯平面相对运动方程。其次,基于滑模变结构控制理论,推导了考虑终端角度约束的滑模变结构制导律,并通过在切换面中引入视线角参考指令和机动控制项,实现多约束条件下的螺旋机动精确制导。同时,对制导律中的3个参数进行优化整定,以更好地满足落角、入射方位角、终端速度、过载等约束限制。以CAV-H为例进行仿真分析,仿真结果表明,该方法能够满足俯冲段终端落点和角度约束,精度较高,鲁棒性较好;同时,可实现预期的螺旋机动飞行,提高了飞行器机动突防和生存能力;相关算法可为高超声速滑翔飞行器俯冲段精确打击和机动突防综合性能提升提供参考。     

拦截高速机动目标的动态终端滑模制导律设计

针对新型高速机动目标的拦截问题,提出了一种基于动态终端滑模控制理论的鲁棒制导律设计方案。首先,基于动态终端滑模控制的有限时间收敛特性,研究了一种带补偿因子的终端滑模切换函数;然后,将其通过微分环节构造了非线性动态滑模超平面;最后,设计了动态终端滑模制导律,并对其有限时间收敛特性进行了分析。该制导律不仅具有有限时间收敛特性,而且针对导弹指令加速度的导数进行设计,可将滑模控制中具有的不连续项转移到制导律的一阶导数当中去,有效消除了抖振。仿真结果表明,该制导律可使导弹视线角速率有限时间收敛,且具有更强的鲁棒性和更高的制导精度。     

基于Hopfield神经网络的最优滑模制导律研究

本文的研究目的在于使制导律既保留最优制导动态性能好、节省能量的优点,同时又对有界机动目标具有良好的鲁棒性。首先,在导弹-目标追逃问题的相对运动学关系的基础上,我们根据制导动态性能好、节省制导能量要求,构造了线性二次型性能指标,利用Hopfield神经网络在线实时求解该最优制导问题,克服了实际中的最优制导难于求解的问题;同时为了在拦截有界机动目标时,保证视线角速率趋于零,又将滑模控制理论引入到制导律的设计中,并利用Lyapunov稳定性理论对该新型导引律的稳定性进行了证明。仿真结果表明该导引律能够对有界机动目标具有较强的鲁棒性,保证了导弹在追逃过程中使视线角速率趋于零,导弹的指令加速度较小。
     

基于NHDO的机动目标拦截攻击角度约束导引律

为了精确控制导弹在有限时间内以期望攻击角度拦截机动目标,采用将导弹自动驾驶仪简化为惯性环节的方法,结合终端滑模控制理论设计了一种带攻击角度约束的有限时间收敛制导律。为了滤除视线角速率噪声,提出一种非线性跟踪微分滤波器对噪声进行滤波,建立了考虑滤波的制导系统状态方程,基于此方程设计非齐次干扰观测器,用于目标机动不确定项的估计补偿。仿真结果表明,所设计的制导律能达到对视线角速率有效滤波,对目标机动状态精确估计的目的,克服系统动态延迟对制导精度的不利影响,满足攻击角度和制导精度的双重要求。