多约束末制导轨迹设计及分段导引策略研究

针对高升阻比面对称飞行器末制导小空域、短航时条件下的大速域控制问题,提出一种分段导引策略的末制导轨迹设计方法。首先,提出一种分段导引策略,将末制导轨迹分为速度导引段和位置导引段,将多状态量的控制问题转化为分段协调控制问题;其次,速度导引段基于三次样条曲线模型解析规划飞行剖面,采用高度自适应的剖面校正方式实现高精度的速度控制;最后,位置导引段引入带速度修正的比例导引,在进行速度控制的同时满足落点、落角等约束。仿真结果表明,落点、落角控制较好,同时速度控制精度在速度控制量的2.5%以内,对再入点参数及飞行环境等扰动具有很好的适应性,具有较强的工程应用价值。     

有落角约束的参数可调最优制导律

基于最优二次型控制理论,对传统有落角约束的最优制导律进行了改进。选取的二次型准则不仅包括对终端状态的约束,还在积分部分包含一个指数增长的时间相关项,推导了一种参数可变的有落角约束的最优制导律。对PN模型的仿真结果表明,系统不但能够满足落角约束和较小的脱靶量,而且随着选取参数的增加,使得系统在接近末端时过载指令减小且变化平缓。     

登月软着陆过程多约束最优制导律研究

为使登月舱软着陆过程安全可靠,须对其飞行轨迹进行多种约束规划与制导。在满足登月舱姿态约束的基础上进行最优制导律推导;考虑到飞行过程中的多种约束,引入航点优化算法,将飞行过程中的轨迹多约束转换为航点约束,并以指令加速度变化平稳为优化指标,将轨迹优化问题转换为二次规划问题,实现多约束下最优制导。仿真结果表明该方法能在加速度变化最小的情况下满足多种飞行轨迹约束要求,落点精度满足要求,实现登月舱安全软着陆。     

考虑捷联导引头最小视场角约束的制导策略

针对高超声速飞行器捷联导引头,提出导引头最小视场角（FOV）约束问题。首先分析了导引头视线角变化规律,指出在攻击固定目标时,导引头最小视场角约束在弹道末段无法被满足,导引头将丢失目标。在此基础上,基于缩短导引头丢失目标距离的目标,提出一种满足导引头最小视场角约束的制导策略。该策略不依赖于末制导律形式,当最小视场角约束无法被满足时,改变原有制导指令,主动改变弹道轨迹以增加弹体视线角,避免超出视场范围。其次,针对飞行器过载约束,设计了制导策略切换点,在到达切换点时该制导策略将结束工作,避免末端过载过大超出约束。通过对比仿真验证了所提出制导策略有效性,能够大幅度减少导引头丢失目标距离,工程上有利于提高末端命中精度。     

基于纯比例导引的拦截碰撞角约束制导策略

拦截碰撞角约束制导是当前导弹制导研究的关键问题之一。首先基于理想比例导引（IPN）律拦截非机动目标的解析解,推导了纯比例导引律（PPN）拦截固定目标的解析解,得到了弹目相对距离、制导指令加速度和导弹前置角的显示表达式,并进一步得到了拦截碰撞角与弹目相对运动状态和比例导引系数之间的解析表达式。其次,基于该解析表达式,提出了基于PPN的拦截碰撞角约束制导策略（PPNIACG）,并探讨了在铅垂面内进行落角约束打击和水平面内进行拦截碰撞角约束打击的2种实现方式。最后,以弹道成型制导律（TSG）和最优碰撞角约束制导律（OIACG）为参考,通过数值仿真算例,对PPNIAC的拦截性能进行了对比分析,验证了所提出制导策略的有效性和正确性。     

考虑扰动及控制饱和的多约束末制导方法

在末制导阶段,飞行器受到建模误差、风、目标运动等多种扰动的影响,且导引头视场、攻角及落角受到约束。为此,提出一种多约束及扰动下的末制导方法。将制导问题转化为存在扰动与控制饱和的系统的镇定问题。设计低增益状态反馈律镇定系统,利用线性扩张状态观测器观测系统中的扰动并在反馈律中对其进行补偿。以此为基础推导得到末制导律。基于Lambert W函数研究制导律参数对视线角收敛的影响,并提出制导律参数的自适应整定方法。通过在线调整制导律参数,保证全部约束得到满足。在多种扰动下,通过数值仿真验证提出的制导方法。仿真结果表明,制导律满足所有约束且获得的制导精度较高。     

航天器多约束交会的仅测角导航最优多目标闭环制导

研究了航天器多约束交会的仅测角导航最优多目标闭环制导问题,优化目标包括交会时间、燃耗和仅测角导航可观性指标,并考虑了视觉传感器视场角、推力器推力幅度和最小安全距离等各种约束条件,建立了多约束、多目标优化下的仅测角导航和闭环制导问题的数学模型,分析了仅测角导航和闭环制导之间的耦合关系。最后,通过Matlab遗传算法工具箱中的多目标优化函数,求解得到了该多目标优化模型的Pareto最优解集,结果显示交会时间、燃耗和仅测角导航可观性指标不能同时达到最优,存在相互制约关系,即提高其中一种优化目标的性能会降低其他优化目标的性能。     

带角度约束的多飞行器编队协同拦截制导律设计

针对多枚飞行器协同拦截同一目标的问题,在最优控制与时间调整相结合的基础上,设计了一种带有时间约束与角度约束的协同制导律。首先,在初始时刻(或中段制导结束时刻),根据初始状态及终端角度约束情况,以指定策略为编队中的各飞行器分配拦截角度。其次,采用线性化最优控制的设计方法,解算带有拦截角度约束的最优导引指令。最后,在求解针对运动目标的飞行器剩余时间估计的基础上,根据一致性的方法推导时间调整项的导引指令。仿真结果表明,在典型背景下,设计的制导律能够使多枚飞行器以特定的编队构型协同拦截同一目标,从而有效提高拦截概率。     

基于理想视线制导的多导弹协同攻击策略

理想视线制导律是一种沿理想视线方向的、对终端相对位置与终端相对速度进行控制的弹道成型制导律。基于此制导律,提出了一种圆弧假设并推导了理想视线约束角度与飞行剩余时间之间的函数关系,设计了多导弹飞行时间协同控制系统。在此基础上,提出了针对低速目标的多导弹协同攻击策略。该制导策略通过调节各导弹终端理想视线与相对距离矢量方向夹角大小的方法,有效地减小了各导弹飞行时间之间的差额。仿真结果表明,所设计的制导策略可以很好地实现多导弹对固定目标的协同攻击并且有较强的容错性。     

滚转舰炮制导炮弹的空间多约束导引与控制一体化设计

在大口径舰炮制导炮弹打击近岸机动目标的末段,考虑攻击角、控制受限、视线（LOS）角速率测量受限等约束,提出了一种基于块动态面与扩张状态观测器（BDSESO）的多约束空间导引与控制一体化设计（IGC）方法。构建了滚转制导炮弹的空间导引与控制一体化的严块反馈串级模型,运用扩张状态观测器估计视线角速率和目标机动、建模误差、风等系统内外不确定干扰。为了在有限时间内零化视线角跟踪误差与视线角速率,采用自适应指数趋近律设计非奇异终端滑模,通过自适应动态面控制有效镇定串级系统并避免微分膨胀,引入自适应Nussbaum增益函数补偿控制受限的饱和非线性。通过Lyapunov理论证明了视线角跟踪误差、视线角速率的有限时间收敛性与全系统状态的一致最终有界性。半实物仿真实验表明：该方法使制导炮弹在打击具有不同机动形式的目标时,均具备较好的末制导性能。     

Three-dimensional cooperative guidance strategy and guidance law for intercepting highly maneuvering target

Cooperative interception of the target with strong maneuverability by multiple missiles with weak maneuverability in the three-dimensional nonlinear model is studied. Firstly, the three-dimensional nonlinear model of cooperative guidance is established. The three-dimensional reachable region is represented composed of lateral acceleration and longitudinal acceleration in the two-dimensional coordinate system. Secondly, the problem of the multiple missile's reachable coverage area is transformed into the problem of cooperative coverage. A cooperative coverage strategy is proposed and an algorithm for quickly calculating the number of required missiles is designed. Then, the guidance law based on the cooperative coverage strategy is proposed, and it is proved that cooperative interception of the target can be achieved under the acceleration limit. Moreover, the relations among the number of missiles, the initial array position of terminal guidance and the coverage area of the target’s large maneuver are analyzed. The dynamic adjustment strategy of guidance parameters is proposed to reduce the guidance error. Finally, simulation results show that multiple missiles with low maneuverability can achieve effective interception of target with strong maneuverability through the proposed cooperative strategy and cooperative guidance method.     

Radar-assisted collision avoidance/guidance strategy for planarflight

We propose a radar-assisted collision avoidance/guidance strategy (RACAGS) for flight vehicles on low altitude missions. The task of obstacle avoidance and guidance are integrated in a single collision avoidance/guidance strategy. The avionic aids and computational requirements are modest as the strategy mainly depends on range-map and inertial system information. The strategy is first implemented in a planar scenario and then extended to three-dimensional and nominal trajectory following flight scenarios. Several simulation studies are presented for illustration     

Cooperative guidance strategy for multiple hypersonic gliding vehicles system

Cooperative guidance strategy for multiple hypersonic gliding vehicles system with flight constraints and cooperative constraints is investigated.This paper mainly cares about the coordination of the entry glide flight phase and driving-down phase.Different from the existing results,both the attack time and the attack angle constraints are considered simultaneously.Firstly, for the entry glide flight phase, a two-stage method is proposed to achieve the rapid cooperative trajectories planning, wh...     

某型飞机翼盒结构多约束优化设计

将翼盒尺寸设计中多学科设计要求,包括应力、稳定性、气动弹性、变形和制造等要求转化为优化设计过程中和结构尺寸相关联的约束条件,从而将翼盒尺寸多学科优化设计(MDO)问题转化为多约束优化设计(MCO)问题。基于Hyperworks优化设计平台,建立了某型飞机翼盒有限元模型并利用TCL\TK语言将多学科约束嵌入到翼盒尺寸优化设计过程中,定义了多约束优化设计模型。优化设计结果减重7.4%,有效指导了翼盒结构详细设计。     

助推段防御比例导引法研究

基于助推段防御和比例导引法,分析了拦截弹与目标导弹的相对运动关系并给出了比例导引方程;采用差分法分析了拦截弹与目标导弹的位置关系、构建了数学模型并推导了拦截弹的差分方程;以拦截时间和拦截弹道为研究对象,分析了拦截弹的速度和比例系数对拦截时间和拦截弹道的影响,并对比例导引法的拦截弹道进行了三维仿真。仿真结果表明,助推段防御使用变系数比例导引法,可有效缓解拦截时间与拦截弹机动性之间的矛盾。     

异步点火相位对四冲程发动机性能影响

为研究双火花塞点火相位差对安装有预燃室的四冲程点燃式航空重油活塞发动机的整机性能的影响规律,利用AVL-Fire软件建立了发动机燃烧室的CFD模型,并验证了模型的有效性;研究异步点火相位增加对整机缸内燃烧、火焰传播和缸内爆震的影响等。结果表明:在转速为5 000 r/min,30%节气门开度、喷油量为20 mg的条件下,主燃室中火花塞点火固定在上止点前20°曲轴转角,另一个火花塞相对其分别提前4°、 8°、 12°点火。随着异步点火相位的增大,缸内平均压力、放热率及累计放热量呈现逐渐增加趋势,但爆震发生的角度逐渐向上止点移动,强度有所增加。     

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。     

A novel biased proportional navigation guidance law for close approach phase

A novel biased proportional navigation guidance (BPNG) law is proposed for the close approach phase, which aims to make the spacecraft rendezvous with the target in specific relative range and direction. Firstly, in order to describe the special guidance requirements, the concept of zero effort miss vector is proposed and the dangerous area where there exists collision risk for safety consideration is defined. Secondly, the BPNG, which decouples the range control and direc-tion control, is designed in the line-of-sight (LOS) rotation coordinate system. The theoretical anal-ysis proves that BPNG meets guidance requirements quite well. Thirdly, for the consideration of fuel consumption, the optimal biased proportional navigation guidance (OBPNG) law is derived by solving the Schwartz inequality. Finally, simulation results show that BPNG is effective for the close approach with the ability of evading the dangerous area and OBPNG consumes less fuel compared with BPNG.     

弹道导弹助推段拦截最优制导律设计

针对弹道导弹助推段飞行中加速度大、飞行速度高、拦截反应时间短的特点,研究最优拦截直接碰撞制导律.在建立拦截弹与目标相对运动方程的基础上,以终端脱靶量最小和能量最省为性能指标,设计了空射反导导弹在助推段拦截弹道导弹目标的最优制导律.仿真结果表明,所设计的制导律满足设计指标,达到了直接碰撞杀伤目标的目的,验证了所设计制导律...     

异步点火相位对二冲程发动机爆震燃烧的影响

为了了解异步点火相位对二冲程航空活塞发动机燃用煤油时的爆震影响问题,使用Fire软件建立了发动机燃烧室的计算模型,并通过试验验证了该模型,研究了异步点火相位对发动机缸内燃烧以及火焰面密度分布、爆震强度的影响等.结果表明:在转速为5000r/min、全负荷工况、混合气当量比为11、点火能量为3564mJ条件下,当其中一个火花塞点火时刻固定在上止点前曲轴转角为29° ,另一个火花塞相对其分别提前曲轴转角为1°,3°,5°时点火,随着双火花塞异步点火相位差的增大,缸内平均压力、放热率及累积放热量均呈现减小的趋势,两个火花塞附近的湍动能增大,火焰传播速度加快,火焰发展期缩短,爆震强度表征物的浓度逐步减小,二冲程煤油发动机爆震发生的倾向减小.