高超声速飞行器高阶滑模控制器设计

针对高度非线性、强耦合、参数不确定性的高超声速飞行器纵向运动数学模型,设计了一种基于Quasi-continuous高阶滑模理论的控制器,并与传统滑模控制器进行了分析和比较。仿真结果表明,Quasi-continu-ous高阶滑模控制在高度阶跃响应时间上比传统滑模控制减少了30%,速度阶跃响应时间比传统滑模控制减少了约56%。说明所设计的控制器能较好地满足在极端环境中飞行的高超声速飞行器对控制指令响应时间的要求。因此,该项研究对高超声速飞行器控制系统的设计有十分重要的参考价值。     

高超声速飞行器俯冲段制导控制一体化设计方法

针对高超声速飞行器高速俯冲飞行段制导控制系统设计问题,建立了俯冲飞行段制导控制一体化低阶设计模型,提出了一种新颖的六自由度(6DoF)制导控制系统设计方法。基于目标-飞行器三维空间相对运动模型和坐标系转移关系建立了三维全耦合俯冲相对运动模型,推导得到了飞行器加速度在弹道坐标系三轴的分量与飞行器三通道角速率间的解析模型,进而结合飞行器绕质心动力学模型建立了以气动舵偏角为控制输入的俯冲飞行段制导控制一体化低阶设计模型。该制导控制一体化低阶设计模型降低了俯冲飞行段制导控制系统的模型阶数,减少了六自由度制导控制系统的设计参数,省略了传统设计方法中根据期望过载反求气动欧拉角的过程;同时利用解析模型替代了传统方法中姿态控制环路的跟踪控制过程,简化了制导控制系统的设计流程,为制导控制一体化设计提供了一种新的分析思路。数值仿真结果验证了本文提出的制导控制一体化设计方法的有效性和鲁棒性。     

高超声速飞行器侧向机动制导方法研究

飞行器再入过程中可能需要绕飞禁飞区,若依据偏差距离来确定反转点的倾侧角反转逻辑,难以满足高超声速滑翔飞行器大横程侧向机动的要求。为此,提出了一种基于碰撞圆锥的再入侧向制导方法,通过制定飞行器侧向机动制导方案,设计侧向制导逻辑,使飞行器在满足终端约束的条件下较好地规避禁飞区,增强机动突防能力。仿真结果表明,在保证制导精度的前提下,侧向机动制导方法能够使飞行器满足禁飞区规避的要求。     

高超声速飞行器时间协同再入制导

从饱和打击任务需求出发,针对多高超声速飞行器时间协同再入制导问题进行研究,提出时间可控再入制导律和协同再入制导架构,在改善现有制导律实时性、在线约束管理等性能的基础上,重点解决再入飞行时间不可知、不可控问题,最终实现时间协同再入飞行。协同再入制导结构分为两层,其中底层提出了基于神经网络的时间可控再入制导律,以实现再入飞行时间的可知性与可控性为目标;上层根据不同再入阶段特点设计相应的协调函数,生成时间协调信息。该结构适用于集中式或分布式的通讯结构,同时上层协调策略可以根据任务需要进行有针对性的设计与拓展。最后,通过仿真验证了时间可控再入制导律对时间的可控性和协同再入制导结构的有效性。     

拦截高超声速目标的异类导弹协同制导律

对于多导弹协同拦截高超声速目标的问题,设计了一种具有领弹-从弹拓扑结构的异类导弹协同制导律:配备有高性能导引头的领弹采用改进比例导引法拦截目标;未配备导引头的从弹利用通信手段,采用二阶一致性跟踪算法,对领弹进行跟踪。两类导弹同时命中目标,形成\"多对一\"的拦截态势。异构型的制导策略可以降低对导引设备的需求,具备较理想的作战效费比。领弹与从弹的弹道均源于改进比例导引法,具有较理想的弹道特性。给出了协同制导律在固定拓扑与切换拓扑下成立的充分条件。算例仿真验证了所提出的制导律能够实现对高超声速目标的协同拦截,具有良好的可行性。     

螺旋俯冲机动突防的制导律设计

针对识别和拦截技术高度发展所带来的突防难题,提出高超声速滑翔飞行器（HGV）螺旋俯冲机动突防的概念,并为此设计了一种基于虚拟滑动目标的自适应比例导引律。首先,通过分析HGV绕目标飞行的运动学特性,建立对数型的螺旋运动模型,以该模型为基础利用曲线渐伸线原理设计虚拟目标的滑动轨迹。然后,采用包含时变附加项的比例导引律追踪虚拟目标,从而实现引导HGV进行螺旋俯冲机动以及对真实目标的打击。接着,为提高虚拟目标的跟踪精度以及抵抗外部干扰的能力,设计了制导参数的闭环非线性自适应律,能根据当前偏差在线选择制导参数值。此外,还分析了满足收敛条件的制导参数的取值范围以及其进入闭环更新的策略。最后,分别针对静止目标和低速移动目标进行数值仿真验证,结果表明所设计的制导律不但能够引导HGV实施螺旋俯冲机动,还能够准确地命中目标。     

高超声速滑翔飞行器约束预测校正再入制导

针对大升阻比高超声速滑翔飞行器的再入制导问题,将再入轨迹划分为初始下降段、过渡段和准平衡滑翔段。初始下降段采用定倾侧角飞行,过渡段在最大倾侧角附近飞行,准平衡滑翔段利用数值预测校正方法和准平衡滑翔条件在线设计同时满足过程约束和终端约束的倾侧角制导律。通过标准条件和扰动条件下的仿真结果表明,这种制导律在满足各种约束的条件下,不仅能够达到较高的精度,而且对初始误差具有良好的鲁棒性,能够应付再入时各种不确定性因素的影响。     

基于 Quasi-continuous 高阶滑模理论的高超声速飞行器控制

针对高度非线性、强耦合、参数不确定性的高超声速飞行器数学模型,首先应用精确线性化将其非线性的数学模型转化成符合控制设计要求的等效线性模型,然后引入了Quasi-continuous高阶滑模控制理论,同时采用鲁棒精确微分器来克服测量的困难。模拟结果表明所设计的控制器对参数不确定性具有很好的鲁棒性,而且达到了期望的性能指标。     

虚拟多触角探测的高超声速滑翔飞行器再入机动制导

针对高超声速滑翔飞行器再入过程中面对的多约束问题,提出一种基于虚拟多触角探测的路航点规划机动制导策略。该机动制导策略通过飞行器最大转弯轨迹计算速度-剩余地面距离-航向角约束,在分段定点模式中发出多条粗略预测触角,引用触角末端反馈的信息计算优先级以确定临时路航点;同时在机动制导模式中发出精细探测触角,计算触角末端信息优先级,经倾侧角延时滤波器得出控制指令,对飞行器进行机动制导。基于多触角探测的路航点规划机动制导策略,降低了三触角机动制导方法中的计算时间;同时,4种典型禁飞区条件下的仿真结果表明,该策略能够有效稳定地解决机动制导过程中的多约束问题。     

基于滑模控制的剖面跟踪制导律

针对高超声速飞行器滑翔段的高精度制导问题,考虑复杂多约束条件以及干扰和不确定因素的影响,设计了一种基于全局积分滑模控制的剖面跟踪制导方法.首先,将多重约束转化为阻力加速度-速度(D-V)平面内的再入走廊;然后,以终端精度和总吸热量为性能指标,采用分段函数的形式优化设计出一条标准D-V剖面;再基于简化的动力学模型,推导得...     

基于蛇行变轨的反舰导弹末制导律研究

提出了一种超声速反舰导弹针对海面机动目标的主动蛇行变轨导引设计方案。首先建立了反舰导弹、拦截弹和舰艇在航向平面的运动几何关系模型,然后基于Terminal滑模控制的思想进行了制导律设计,采用约束视线角和视线角速度的方法使反舰导弹在打击舰艇的过程中实现蛇行变轨,以能够规避敌方拦截导弹。仿真结果表明,该制导律具有期望的性能要求。     

临近空间高超声速滑跃式轨迹目标跟踪技术

针对临近空间目标飞行速度快、机动特性强和加速度突变的特性,提出一种地心直角(ECEF)坐标系下基于目标特性分析的修正强跟踪滤波(MSTF)算法。首先,通过对ECEF坐标系下目标量测的无偏转化处理,以有效减小目标高超声速飞行所带来的旋转、平移和线性化误差影响;接着,在对目标特性充分分析的基础上,合理构建强跟踪滤波(STF)模型,通过对模型参数的自适应调节,以有效实现临近空间高超声速滑跃式轨迹目标的精确跟踪;最后,结合统计学原理对目标加速度的突变进行合理检测和补偿,以进一步修正强跟踪滤波模型的跟踪精度。仿真结果表明,与现有的临近空间目标跟踪算法相比,该算法具有较高的定位跟踪精度。     

变结构制导规律及其实现

由于变结构控制的滑动模态具有完全的自适应性,不必全面研究系统的各种摄动及外干扰,只需根据高速度大机动目标的特点,对其实现自适应,将各种干扰及偏差的影响归人有关增益系数上加以考虑。应用变结构滑膜控制理论,推导了出一种适用于拦截高速大机动目标的空间制导规律,该制导规律能将系统引向滑动面并保持在其上运动。算例仿真证明,变结构项保证了对目标机动的鲁棒性,简单易行利于工程实现。     

针对变速机动目标的变速导弹三维导引律

应用李雅普诺夫稳定理论，提出一种三维制导算法，在算法设计中，既考虑了目标机动，包括目标速度的变化，又考虑了导弹速度的变化，为实现所提出的算法，进一步将与目标运动的加速度和速度方位信息的有关的项归为两项，给出了其估计方法，仿真结果验证了该方法的有效性。     

过载约束下的大机动目标协同拦截

研究了非线性拦截几何下具有过载约束的多枚弱机动能力的导弹拦截强机动能力的目标的协同拦截问题。首先,在建立导弹的可达域、导弹的可行域以及目标的逃逸域这3个概念的基础上提出了非线性拦截几何下的基于逃逸域覆盖的协同拦截策略,并提出了基于标准弹道的设计方法。然后,给出了协同拦截制导律的形式,研究了导弹的末制导初始阵位、制导律参数以及导弹对目标机动的覆盖区域这三者间的关系,并设计了数值求解算法来实现对多弹的覆盖区域的分配、协同制导律的设计以及多弹初始拦截阵位的配置。最后,对理论结果进行仿真。结果显示,多枚机动性较小的导弹,通过初始拦截阵位的合理配置和协同拦截制导律的合理设计,可以实现对机动性能较强的目标的协同拦截。     

基于自适应反演滑模的末制导律设计

针对三维导弹-目标相对运动模型,结合反演控制、滑模控制和自适应技术,设计了一种新的自适应反演滑模末制导律。针对目标机动加速度上界难以获取的问题,将目标机动加速度视作模型的干扰,设计了一种自适应律对其进行在线估计,并将估计值补偿到制导律中。运用李亚普诺夫稳定性理论证明了系统的全局渐进稳定性和误差的收敛性。仿真结果证明了所设计的自适应反演滑模末制导律对机动目标的鲁棒性和有效性。     

基于NBF网络的导弹航向平面滑模控制导引一体化

提出了一种反舰导弹针对水面机动目标的航向平面控制导引一体化设计方案。建立了航向平面的一体化控制导引模型,然后基于NBF网络切换增益调节和滑模控制的思想进行了控制导引律的设计,为了验证该一体化设计的有效性和正确性,进行了仿真计算。仿真结果表明,针对高机动的水面目标命中精度很高。