飞行器集群协同定位与导航对抗技术发展与展望

以动平台飞行器集群为对象,剖析集群协同定位与导航对抗技术内涵,分析技术现状,提炼技术难点,展望技术发展趋势,为未来中国飞行器集群自主时空基准体系构建及导航对抗提供新思路.     

基于自适应控制的近空间高超声速飞行器研究进展

综述了高超声速飞行器数学建模与自适应控制技术。在概述典型数学模型基础上，着重概述了模型参考自适应控制、浸入-不变集非线性自适应控制、自适应动态面反步控制、自适应滑模控制、自适应模糊滑模控制和神经网络自适应控制等多种自适应控制技术在高超声速飞行器中的应用与研究。对高超声速飞行器自适应容错控制技术现状，自适应控制在高超声速飞行器飞行测试中的应用情况进行概述。总结了高超声速飞行器的当前研制项目和技术现状，重点展望了若干种鲁棒非线性自适应控制技术。与已有综述相区别，重点概述自适应控制在解决高超声速飞行器鲁棒、稳定、切换、协调等关键控制问题的研究进展。     

空间飞行器动力学与控制研究综述

概括介绍了近年来空间飞行器的动力学与控制研究的发展状况,综述了单星动力学建模和控制技术、多星动力学建模和控制技术,以及太阳帆航天器、绳系卫星等新型航天器动力学与控制技术等相关航天领域中的若干基础问题,总结了在这些领域中的研究方法及取得的成果。提出了相关领域中值得深入研究的问题及后续发展方向,如深空探测的轨道动力学、超大尺度柔性航天器的动力学建模与协同控制技术、敏捷卫星的机动控制技术、多星姿轨耦合动力学和控制技术、太阳帆航天器动力学与控制技术,以及空间绳系卫星系统的动力学与控制技术等重点和主要发展方向。     

低成本集群自主协同与控制问题研究

随着集群技术的发展,未来军事任务中精确打击将由单一作战向协同攻击的模式扩展,而集群打击中的低成本实现是一项重要的关键技术。对国外集群协同控制的低成本实现研究进行了调研,结合成熟货架产品开展了低成本集群的体系架构设计,针对集群协同与控制中延迟与精度两项性能参数进行了因子实验与统计,最后分析了未来作战中集群打击的应用模式。     

多高超声速飞行器静态协同再入制导方法

为实现多高超声速飞行器的协同再入，提出一种基于参考轨迹的静态协同再入制导方法。首先以实际轨迹长度代替大圆弧假设，研究了实际轨迹长度与总飞行时间的对应关系，提出采用公共轨迹长度作为协调变量的思路；然后设计了一种双层协同框架，其中协调层将轨迹长度作为协调参数进行协调匹配，执行层依据分配的协调参数完成再入飞行；最后针对协同再入的时间一致性要求，提出一种新的协同逻辑转换策略，将终端时间的一致性问题转化为到达截止时间的状态收敛问题。该方法在能量域内进行公共参考轨迹设计，之后通过时域信息提取在时域内完成公共参考轨迹跟踪，最终实现多成员的协同再入。分别在标称状态与模拟扰动环境对所提方法进行了数值仿真，结果表明，所提方法能够简明实现多飞行器的再入协同制导，具有较好的应用潜力。     

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。     

基于态势感知一致性的UAV集群分布式协同性能分析

针对现有无人机集群分布式协同方法没有细致考虑态势感知过程，忽略了对抗环境下态势信息的不确定性对集群协同的影响，对协同性能缺乏量化分析等问题，提出基于态势感知一致性的无人机集群分布式协同方法，并分析协同性能。从集群协同作战角度分析协同方法的实质，考虑态势信息不确定性，给出集群态势感知一致性分析，建立态势觉察一致性、态势理解一致性等概念，并设计协同方法；建立协同时间、协同信息量等指标，分析指标特性，量化分析协同性能；在给定的仿真场景下，对比分析各协同方法性能。结果表明，所提方法协同性能较好，更切合对抗环境，对集群协同作战研究有一定的积极意义。     

基于多智能体系统的多航天器编队分布式姿态协同控制

多航天器编队飞行在深空探测及协同对地观测等领域有着重要应用,而多航天器的姿态跟踪及协同控制技术作为其关键技术之一也引起了极大的关注。近年来,随着分布式人工智能技术的发展,多智能体系统(MASs)受到了航天器控制领域学者的关注并将其应用到多航天器编队控制中。本文回顾了多智能体系统协同控制及其在多航天器编队姿态协同控制中应用的研究进展。首先,从多航天器编队不同控制需求出发,分别从一致性跟踪控制、有限时间控制、事件驱动控制方面,回顾了多智能体系统协同控制问题的进展;其次,回顾了多航天器姿态协同控制在上述需求方面的研究进展,并基于多智能体系统的协同控制理论,提出了相应的分布式姿态协同控制策略。     

多群组飞行器攻击时间控制协同制导方法

考虑多主-多从式群组飞行器的协同制导问题,提出了可使得多个飞行器群组在指定时间同时命中目标的协同制导方法。首先,基于剩余命中时间一致性给出多主飞行器的攻击时间控制协同制导律,使得主飞行器能够在指定时间同时命中目标;在此基础上,为每个主飞行器所在群组的从飞行器给出基于距离一致性的协同制导律,使得从飞行器-目标距离同步于主飞行器-目标距离,从而实现所有飞行器对目标的指定时间同时命中。理论分析表明,主飞行器和从飞行器的协同制导律都具备固定时间收敛特性。仿真结果验证了所提出方法的正确性和有效性。     

通信拓扑切换下的多飞行器协同拦截方法

针对通信拓扑切换条件下的多飞行器协同拦截问题，提出了一种基于扩张状态观测器的协同制导方法。建立协同制导设计模型，将协同拦截问题转换为视线稳定条件下的剩余飞行时间调节问题。为解决机动目标状态不确定的问题，将目标的状态视作扰动，设计扩张状态观测器来估计机动目标的状态，并在制导律中对目标的机动进行补偿。利用有限时间一致性理论进行一致性控制协议的设计，实现各飞行器剩余飞行时间的有限时间一致，并利用Lyapunov稳定性理论分析通信拓扑切换情况下闭环系统的有限时间稳定性，给出了系统一致收敛时间。仿真结果表明，在通信拓扑变换的情况下，设计的观测器能够有效估计目标状态，且协同制导律能够满足对剩余飞行时间的控制要求，进而实现协同拦截。     

基于协同裕度的多飞行器航迹规划

针对传统多飞行器协同航迹规划适应环境变化的能力较弱的缺陷,提出了多飞行器协同裕度的概念,建立了航迹规划的协同裕度模型,研究了基于协同裕度的多飞行器协同航迹规划方法,提高了编队协同能力,仿真结果验证了改进方法的有效性。     

通信拓扑切换下的预定时间分组协同制导方法

针对通信网络拓扑结构切换下的协同制导问题，提出了一种预定时间协同制导方法(PTCGL),以保证拓扑切换下的预定时间分组收敛。首先，建立三维飞行器协同制导模型和拓扑切换下的分组协同架构：组间利用小组领队飞行器之间的协作实现分组配合，组内则通过有向通信实现组协同。随后，在通信网络拓扑结构切换的情况下，结合牵制控制和预定时间理论，基于M矩阵假设的牵制分组误差和预定时间尺度函数提出拓扑切换三维预定时间协同制导律。进一步，考虑拓扑切换驻留时间，利用Lyapunov理论证明在通信拓扑切换的情况下，该制导律可实现预定时间收敛。最后，数值仿真结果验证了所提出的协同制导方法可实现在拓扑切换下的预定时间收敛、保证分组协同打击。     

考虑探测构形的多飞行器协同探测与制导一体化设计

针对多飞行器协同拦截机动目标时几何构形会影响协同探测和制导效果的问题，基于最优控制理论提出一种考虑探测构形的协同探测与制导一体化设计方法。基于飞行器相对运动学、动力学方程和双视线协同探测原理，建立了协同拦截模型。在制导设计中引入视线分离角参量以调制协同探测几何构形、减小相对距离探测误差，从而在制导全程增强协同探测效果。将相对距离协同探测结果应用到剩余时间和制导律解算中，基于最优控制理论实现协同探测与制导环节一体化设计。仿真结果表明：在目标进行不同程度机动的情况下，与修正比例导引律相比，所提方法在协同探测和制导方面均具有明显优势。     

空天领域技术标准体系建设的思考

空天飞行器具有多约束紧耦合复杂系统设计、高精度自主再入返回控制、快速周转可重复使用的特征。文章围绕空天领域技术特征、发展现状及标准化需求，提出空天领域技术标准体系建设设想，包括建设目标、总体思路和建设原则，并进一步确定了技术标准体系一级框架。结合空天领域技术标准体系建设初步实践，对预期效果进行了展望。     

系统集成是航天控制系统发展的方向

针对航天控制技术发展面临的挑战,分析国外有关高超声速飞行器、深空探测飞行器、空间攻防系统等制导与控制技术的发展背景,提出系统集成在我国航天控制领域中发展的重点和方向.     

飞行器多学科设计优化的三种基本类型及协同设计方法

运用多学科设计优化方法,根据飞行器设计中遇到的实际情况,提出三类基本的飞行器多学科设计优化问题:耦合、信息单向传递、独立。一般的飞行器设计问题可以视为提出的这三种基本类型的组合。以设计实例对这三类问题的数学模型及解决方案进行了深入分析。介绍了协同优化方法的设计思想,并提出了应用协同优化方法解决上述三类问题中最复杂的耦合问题的具体计算结构。应用该计算结构,可以避免求解耦合方程组并实现各学科并行设计,提高了计算效率。     

飞行器协同自组网数据链信息集成设计要求

体系化战场环境下,飞行器需要利用数据链实时共享目标属性(图像、位置、数量、危险等级等)、外部威胁环境、各自的健康状态等战场态势信息,实现飞行器间战术的配合。文章研究了飞行器协同自组网数据链信息集成设计要求,定义了信息集成系统组成,包含单体飞行控制系统以及自组网数据链系统两个组成部分,分析了飞行器自主信息与飞行器协同信息两类协同信息及其信息流向;研究了信息集成系统的设计内容和设计流程,并详细规定了软硬件设计要求;此外,还规定了信息集成系统试验验证的设计要求。可为飞行器协同数据链信息集成系统设计提供有效指导,为飞行器体系化协同组网提供设计依据。     

多飞行器协调航迹规划方法

针对多飞行器的协调航迹规划展开研究，提出了一种基于协同进化的多飞行器协调航迹规划算法。在该算法中，不同飞行器的潜在航迹形成它们自己的子种群，并在于种群内部进化。不同飞行器间的协调关系由航迹的评价函数来实现。同时，通过使用特定的染色体表示方法和进化算子，该算法可以有效利用各种环境信息，处理各种航迹约束，并实时地生成三维航迹。     

集群卫星网络信息拓扑控制技术探讨

集群卫星网络所具有的高动态拓扑、信息异构及灵活组网的特性,使其对信息层面的拓扑控制提出了新的挑战,需要在现有的卫星网络拓扑控制技术的基础上进一步研究。在深入解析集群卫星网络信息拓扑控制内涵的基础上,根据集群卫星网络特点,提出通用的集群卫星网络信息拓扑模型及星地拓扑控制策略,并对现有的卫星拓扑控制算法进行分类说明,根据拓扑的分类方法,分析不同卫星拓扑控制技术在运用于集群卫星网络中的限制条件,最后针对应用需求及技术特点,指出集群卫星网络拓扑控制技术的发展趋势及研究方向。     

空间飞行器展开与驱动机构研究进展

空间飞行器展开与驱动机构是空间飞行器机构领域的一个重要组成部分。随着我国航天技术的发展，该项技术有了长足进步，对其设计方法和具体工程问题的研究也日渐深入。本文概述了空间飞行器机构的分类与构成，对展开与驱动机构的国内外研究概况进行了分析。结合工程应用，提出了在系统任务分析与设计中的力矩（力）裕度、精度分配、机构非线性、阻尼控制、热匹配、空间润滑、可靠性分析与试验七个典型工程问题。对这些问题逐一分析了其性质、作用及其对系统的影响，探讨了其研究内容和研究方向。展望了我国空间飞行器展开与驱动机构的发展前景。