复合导引头中视线角速度提取技术研究

为提高视线角速度输出精度,对舰空导弹制导控制系统的红外成像/被动微波复合导引头视线角速度提取技术进行了研究。基于复合导引头在红外比例阶段和红外随动阶段的跟踪原理,采取微波截获时红外框架随动的方式,在导弹全程跟踪过程中根据红外位标器系统提取视线角速度的方法。分析了由陀螺角速度与误差角微分速度和、陀螺角速度与误差角微分速度通过卡尔曼滤波,以及由框架陀螺直接给出敏感到的角速度三种求取目标视线角速度方法,认为后两者的精度易受延时、干扰或滤波发散的影响,选用第一种方法,并采用低通滤波器提高视线角速度提取精度。给出了误差角微分信号和陀螺信号先滤波后匹配,以及先匹配后滤波两种方式的工作原理。仿真结果表明:两种方式结果基本相同,均可实现导引头视线角速度的提取,先匹配后滤波的计算量小,可优先选用。研究对提高舰空旋转导弹复合导引头的制导性能有一定的参考价值。     

非线性比例导引系统研究

研究了非线性比例导引系统的性能。利用一种单输入双输出二阶非线性状态估计器估计弹目视线角速度和角加速度，状态估计器的输入直接采用来自导引头的信息，其输出量可以给出弹目视线角速度和角加速度的估计值，将此估计量作为补偿信号引入到比例导引系统中，形成了非线性比例导引系统。仿真研究表明，这种非线性比例导引具有良好的制导特性。     

基于目标和红外诱饵弹运动模式的抗干扰技术研究

为提高旋转导弹抗红外诱饵弹干扰的能力,确保其在复杂干扰环境中精确命中目标,对一种基于目标和红外诱饵弹运动模式的抗干扰方法进行了研究。分析了红外诱饵弹的干扰原理,认为可通过目标和诱饵弹的运动模式识别目标。建立了目标和诱饵弹的运动模型,用点目标的运动模式识别目标和干扰,发现诱饵弹的运动速度和相同时间内的位移滞后于目标。当导引头判别出目标与诱饵分离后,根据坐标转换得到在导引头成像平面解算得到的目标和诱饵的失调角在目标和诱饵运动速度沿弹目连线法线方向的分量在成像平面的投影轴上的投影,其最大者即为目标。数字仿真和闭合回路飞行实验结果表明:用该法可在干扰投放后约0.15s后,导引头就能正确识别出目标,实现抗干扰。研究对提高旋转导弹抗红外诱饵弹的能力有一定的参考意义。     

导引头隔离度寄生回路对视线角速度提取的影响

为在导弹总体设计中合理确定导引头视线角速度提取方式,研究提出了基于导引头隔离度寄生回路特性分析的视线角速度提取方式确定办法。建立了典型平台导引头的隔离度寄生回路模型,利用频域法解析分析了两种视线角速度提取方式下导引头隔离度传递函数、隔离度寄生回路和导弹制导系统特性的差异,利用劳斯判据研究了制导参数对寄生回路稳定性能的影响。结合某红外导引头,在典型飞行条件下数值分析验证了理论分析的正确性。研究表明导引头隔离度寄生回路特性直接影响导弹制导系统性能,不同的视线角速度提取方式下隔离度寄生回路特性不同,进而导致制导系统性能出现较大差异,而确定导引头的隔离度特性有助于选择合理的视线角速度提取方式以提高导弹制导性能。     

基于卡尔曼滤波的成像旋转弹跟踪系统设计

针对采用捷联稳定方案的旋转弹,为实现用数字计算方法提取比例导引所需的弹目惯性视线角速率信号,对一种基于卡尔曼滤波的成像旋转弹跟踪系统设计进行了研究。将目标的随机加速机动视作修正的瑞利-马尔科夫过程,与视线运动方程联立,建立了机动目标跟踪系统数学模型。由稳定平台的惯性测量元件实现对弹体姿态角的计算,另通过大视场捕获目标,获取目标相对光轴的误差角,综合两者可得目标相对惯性空间的视线角,对视线角进行数字微分获得视线角速度。其中,为避免放大测量噪声,采用自适应卡尔曼滤波法估计视线角速度。闭环仿真结果表明:与低通滤波算法相比,自适应卡尔曼滤波算法的精度高,对测量噪声抑制好,可获得比例导引所需的惯性视线角速率和跟踪角误差的滤波值,从而实现高精度控制。     

红外旋转弹导引头捷联惯导系统的姿态算法研究

对红外旋转弹导引头捷联惯导系统的算法进行了研究。分析了姿态更新的等效旋转矢量法及锥运动环境中的优化算法,理论推导了合理引入角位置传感器数据进行弹体姿态解算的方法,基于捷联惯导导引头坐标转换关系,通过欧拉角坐标转换和四元数坐标转换将导引头光轴系中的框架角速度转换至半弹体系中,由半弹体角速度解算出当前导引头的姿态和位置。试验结果验证证明了方法的正确性,解决了交班时扫描搜索阶段的弹体姿态求解问题,保证了对导弹姿态的有效控制。     

一种面向固定配平型弹头的螺旋机动控制方法

针对固定配平型弹头过载方向可控但过载大小不可控因而无法同时实现螺旋机动所需纵向/侧向过载的问题,提出一种适用于固定配平型弹头单通道变质心滚转控制模式的螺旋机动控制方法。首先,建立了可直观描述螺旋锥角、螺旋角速度等螺旋机动运动特性的弹目相对运动关系方程。然后,基于螺旋锥角、螺旋运动角速度等螺旋运动状态与弹目视线角速率关系,合理设计螺旋机动指令,保证螺旋机动末端弹目视线角速度收敛到零。最后,采用反演法实现弹头质点运动与滚转姿态运动的制导控制一体化设计,通过一维变质心控制滚转姿态调整法向过载方向,使得过载分量能够控制弹头速度矢量与视线的夹角跟踪设计的螺旋运动锥角指令,而剩余过载分量产生大小不可控但旋转方向不变的螺旋运动角速度,实现螺旋机动弹道的运动特性。数学仿真表明,本文提出的螺旋机动控制方法可实现滚转单通道控制固定配平型弹头的螺旋机动,设计思路直观简单,便于工程应用。     

单通道红外防空导弹图像解耦方法研究

针对单通道防空导弹导引头图像的弹旋解耦问题，提出采用图像解析算法进行弹旋软解耦的方法，可以使弹旋解耦不依赖于通常采用的陀螺等硬件装置。通过建立导弹与目标相对运动空间模型和成像模型，得出了耦合和解耦构成可逆过程的结论，图像解析算法建立在互逆结论的基础上，将导弹旋转角速度的估计分为近似估计和精确补偿两个过程，并设计了角速度实时跟踪的解耦流程。仿真实验表明，图像解析算法进行弹旋解耦具有速度快，精度高等优点，其时延小于0．02s，误差小于0．005r／s，并有效的节约了解耦成本。     

单通道红外防空导弹图像解耦方法研究

针对单通道防空导弹导引头图像的弹旋解耦问题,提出采用图像解析算法进行弹旋软解耦的方法,可以使弹旋解耦不依赖于通常采用的陀螺等硬件装置.通过建立导弹与目标相对运动空间模型和成像模型,得出了耦合和解耦构成可逆过程的结论,图像解析算法建立在互逆结论的基础上,将导弹旋转角速度的估计分为近似估计和精确补偿两个过程,并设计了角速度实时跟踪的解耦流程.仿真实验表明,图像解析算法进行弹旋解耦具有速度快,精度高等优点,其时延小于0.02 s,误差小于0.005 r/s,并有效的节约了解耦成本.     

基于扩展卡尔曼滤波的机动目标跟踪研究

针对雷达导引头跟踪机动目标问题,建立了一种适于高机动目标探测的非线性系统模型,采用扩展卡尔曼滤波算法推导适用于弹载脉冲多普勒雷达机动目标探测的滤波模型,用以估计俯仰失调角、方位失调角、弹目相对速度和距离等信息,利用系统数学模型对目标加速度及弹目视线角速率进行解算估计。对标称弹道和极限弹道的跟踪仿真表明,所建立的系统模型和滤波设计方案,能够处理真实飞行中存在的部分信息缺失问题,对于极端情况下的遮挡问题也能在一定时间内保证较高的跟踪精度。     

捷联式反辐射导引头角跟踪技术研究

对于工作在低频段的地空反辐射导引头,传统的稳定平台式导引头无法满足小口径要求,为此采用捷联干涉仪体制。但是采用该体制后,天线是固定安装在弹体上的,无法直接提取比例导引指令,必须寻求新的解决方案。针对该问题,提出采用捷联式角跟踪与解耦方法来消除导引头的弹体姿态扰动耦合,实现视线稳定跟踪。首先,给出了捷联式角跟踪与解耦技术的工作原理与实现方法,在此基础上,对系统进行了仿真建模与性能分析。结果表明,测量误差和噪声较小时,该方法能获得较好的解耦与跟踪性能,所得结果为捷联式导引头角跟踪系统的工程实现提供了理论基础,也为未来导引头的小型化需求提供了一种新的解决方案。     

红外拦截弹输出反馈制导控制一体化设计

针对采用红外导引头的拦截弹，提出一种基于滑模观测器的制导控制一体化(IGC)控制方法，在导弹的部分状态已知和非匹配不确定性影响下，确保了其高精度拦截效果。首先，由于采用红外导引头的拦截弹的视线(LOS)角速率难以获取，系统将不满足干扰估计的匹配条件，设计了一种新型滑模观测器，通过构造补偿滑模观测器,同时实现导弹的未知状态和干扰的有限时间精确估计。然后，利用未知状态和干扰估计信息，设计反步控制器实现导弹的制导控制一体化，证明了系统的有界稳定。仿真结果表明，本文提出的方法可以获得较小的脱靶量，且对存在的不确定性具有较强的鲁棒性。     

考虑视场角约束的捷联导引与控制一体化设计

针对现有导引与控制一体化设计方法在用于捷联战术导弹时存在无法保证弹目视线满足导引头视场角约束的问题，将捷联解耦原理和状态约束控制方法相结合提出一种新型考虑视场角约束的捷联导引与控制一体化设计方法。首先引入捷联解耦原理建立捷联导引与控制一体化设计模型，将其转换为严格反馈系统；其次，针对系统模型存在的不确定扰动，设计了一种对不确定上界平方进行估计的自适应律；第三，针对视场角约束问题，采用积分型障碍Lyapunov函数结合动态面控制设计了一体化导引与控制规律。最后通过Lyapunov理论证明了闭环系统的稳定性和所有信号的一致有界。数值仿真结果校验了设计方法的有效性。     

应对机动目标的全捷联导弹制导控制一体化设计

针对全捷联导引头探测器与弹体固连带来的视线(LOS)测量与弹体姿态的耦合问题，基于干扰观测器和动态面控制提出一种考虑全捷联视线角(FOV)约束的制导控制一体化(IGC)设计方法。首先建立起具有严格状态反馈形式的全捷联制导控制一体化设计模型；其次，针对目标机动和气动扰动带来的模型不确定，设计了一种非线性干扰观测器对其进行在线估计，并将其估计信息的平方引入设计过程；第三，针对全捷联模式下有限视场角凸显的状态约束问题，基于积分型障碍Lyapunov函数与动态面控制设计了一体化制导控制规律，并对闭环系统的稳定性和信号的一致有界特性进行了证明。仿真结果表明,在目标进行不同类型机动和气动扰动存在的条件下，所设计方法均能保证制导精度以及视场角满足约束条件。     

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。     

旋转弹导引头红外角跟踪回路研究

分析了导引头红外末制导角跟踪回路的稳态性能对旋转弹跟踪性能的影响,以及起伏噪声对制导精度的影响,提出了采用二阶无静差角跟踪回路的改进办法.针对改进后的角跟踪回路,计算出了失调角和目标视线角之间的关系,并采用卡尔曼滤波将目标视线角速度准确地估计出来.试验结果表明:二阶无静差系统可以提高旋转弹的跟踪性能,且能够输出满意的制导信号,具有很好的实用价值.     

视场角受限的三维攻击角度控制导引律

考虑末制导阶段捷联导引头视场角限制及攻击角度约束,提出一种基于三维比例导引攻击角度控制的导引律。首先,利用三维矢量制导模型和四元数理论实现三维比例导引的攻击角度预测,进而基于空间几何原理设计一种能够满足视场角约束的三维比例导引攻击角度控制方法。对闭环制导动力学进行分析,并采用李雅普诺夫原理证明视场角受限情况下的制导误差收敛性。分析该制导方法在导弹速度大小变化情况下的轨迹不变性,进而保证制导方法在速度大小变化情况下的有效性。理论分析和仿真校验结果说明了该方法的正确性和有效性。提出的方法可为视场角受限下的攻击角度控制导引律设计提供参考。     

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。