大气层内模型预测静态规划拦截中制导

在临近空间机动目标拦截中,拦截器的初始动力段对中制导段乃至末端拦截性能具有重要影响。在模型预测静态规划（MPSP）理论基础上提出了一种初、中制导联合规划制导方法,旨在解决多阶段、快速、最优拦截轨迹规划和制导问题。首先,提出了一种改进的模型预测静态规划方法,该方法不仅可以满足终端约束,还可以生成最优初始状态,并在性能指标中考虑状态变量相关函数。其次,基于等效阻力模型建立了包含动力段与非动力段的两段规划模型,通过采用分段离散以及构建关机点变分关系的方法,避免了内点约束的引入,使MPSP算法可直接求解该两段规划问题。最后,结合提出的MPSP算法以及两段规划模型,实现了终端速度最优的拦截轨迹规划,结合目标预测方法,实现了对机动目标的预测拦截。仿真结果表明,本文方法可提高制导精度和终端速度,且能更好满足对机动目标的拦截需求。     

Trajectory prediction in pipeline form for intercepting hypersonic gliding vehicles based on LSTM

The interception problem of Hypersonic Gliding Vehicles (HGVs) has been an important aspect of missile defense systems. In order to provide interceptors with accurate information of target trajectory, a model based on an improved Long Short-Time Memory (LSTM) network for trajectory prediction pipeline is proposed for the interception of a skip gliding hypersonic target. Firstly, for trajectory prediction required by intercepting guidance laws, the altitude, velocity and velocity direction of the target are formulated in the form of analytic functions, consisting of linear decay terms and amplitude decay sinusoidal terms. Then, the dynamic characteristics of the model parameters are analyzed, and the target trajectory prediction pipeline is proposed with the prediction error considered. Finally, an improved LSTM network is designed to estimate parameters in a dynamically-updated manner, and estimation results are used for the calculation of the final trajectory prediction pipeline. The proposed prediction algorithm provides information on the velocity vector for midcourse guidance with the effect of prediction errors on interception taken into account. Simulation is conducted and the results show the high accuracy of the algorithm in HGVs’ trajectory prediction which is conducive to increasing the interception success rate.     

轨道拦截问题的一种精确初制导方法研究

对于轨道拦截问题,给出了一种基于速度增益制导和状态转移矩阵的精确初制导方法。该初制导方法能补偿制导方法误差和轨道摄动对拦截脱靶量的影响。仿真结果表明,所提出的精确初制导方法合理、有效,能在增加较小燃料消耗的情况下,大大提高轨道拦截的制导精度。     

近地小推力转移轨道的加权组合制导策略

 研究了近地小推力转移轨道的制导问题,给出了一种基于局部最优控制律的自主制导算法。推导出了各改进春分点根数对应的局部最优控制律;通过最优推力分配和目标偏差两个策略,对各局部最优控制律进行动态加权组合,从而有效减少了制导律的设计参数。在此基础上,针对燃料最省转移轨道,定义了一种新的发动机开关函数。采用遗传/逐次二次规划混合优化算法计算了最优制导参数。与传统算法相比,该制导算法是一种闭环制导算法,能够实现飞行器的自主制导,并且制导过程中无需对制导参数进行更新。以地球低轨到高轨的小推力转移为例,采用该方法分别求解了时间和燃料最省转移问题,并与传统算法进行了比较分析。数值结果验证了该算法的有效性。     

基于需用速度增益曲面的大气层外超远程拦截导引方法

考虑拦截器使用耗尽关机固体推进系统的情况,提出需用速度增益曲面概念,设计了基于该概念的大气层外超远程拦截导引方法。根据Lambert导引,给定拦截时间就有唯一的指令推力方向与之对应,导引过程分为两个阶段:零控拦截到达阶段,选择最优拦截时间,需用速度增益曲面迅速与助推时间-拦截时间平面相切;零控拦截保持阶段,拦截时间不断减小,保持需用速度增益曲面在助推时间-拦截时间平面上滑动,消耗多余的推进剂。利用拟零控拦截概念使两个导引阶段平缓过渡,避免了导引方法切换时推力方向的跳变。导引律计及了J2项摄动对滑行段弹道的影响,导引精度对推进系统参数偏差的鲁棒性强。仿真结果表明本文制导方法用于大气层外超远程目标拦截,脱靶量仅为km量级,推进系统参数偏差对导引精度的影响很小。     

Impact time control guidance against maneuvering targets based on a nonlinear virtual relative model

Aiming at the problem of high-precision interception of air-maneuvering targets with impact time constraints, this paper proposes a novel guidance law based on a nonlinear virtual relative model in which the origin is attached to the target. In this way, the original maneuvering target is transformed into a stationary one. A polynomial function of the guidance command in the range domain with two unknown coefficients is introduced into the virtual model, one of the coefficients is determined to ...     

大气层外拦截变结构导引律

讨论了大气层外空间飞行器拦截的变结构导引律问题。从变结构控制理论出发 ,按照最终零控导引拦截的要求 ,确定切换函数 ,利用趋近律控制方法改善控制过程品质的特点 ,导出一种具有强鲁棒性的空间拦截导引律。最后给出了在具体条件下的仿真结果 ,并与比例导引律、最优导引律作了比较     

Ideal proportional navigation for exoatmospheric interception

Ideal proportional navigation (IPN) is a natural choice for exoatmospheric interception for its mighty capture capability and ease of implementation. The closed-form solution of two- dimensional ideal proportional navigation was conducted in previous public literature, whereas the practical interception happens in the three-dimensional space. A novel set of relative dynamic equations is adopted in this paper, which is with the advantage of decoupling relative motion in the instantaneous rotation plane of the line of sight from the rotation of this plane. The dimension-reduced IPN is constructed in this instantaneous plane, which functions as a three-dimensional guidance law. The trajectory features of dimension-reduced IPN are explored, and the capture regions of dimension-reduced IPN with limited acceleration against nonmaneuvering and maneuvering targets are analyzed by using phase plane method. It is proved that the capture capability of IPN is much stronger than true proportional navigation (TPN), no matter the target maneuvers or not. Finally, simulation results indicate that IPN is more effective than TPN in exoatmospheric interception scenarios.     

基于非线性模型的大气层内拦截弹微分对策制导律

针对新型战术弹道导弹(TBM)和智能巡航导弹等具有高机动性的拦截目标,应用控制受限的非线性对策模型,提出非线性微分对策制导律,并分析了零脱靶量拦截所容许的初始航向误差.目标和拦截弹间的相对运动是非线性的,采用传统线性化模型建立的拦截制导律会因为线性化而带来误差.提出的制导律是在保持拦截弹和目标的非线性运动学关系的基础上...     

基于分数阶微积分理论的最优导引律设计

随着技术的发展及战场环境的日益复杂化,拦截机动目标的需求越来越大。然而传统制导律在拦截机动目标时存在制导精度差、末端过载突变的问题,故提出了一种基于分数阶微积分理论的最优导引律。首先,介绍了分数阶微积分的定义、性质及其数字实现方法;然后,分析了弹目相对运动关系,通过分数阶变阶次建模和最优控制理论推导出了分数阶导引律;最后,仿真结果表明：与传统比例导引法相比,所设计的分数阶最优导引律能够保持比例导引法良好的追踪性能且拦截时间能够缩短2s,末端过载值趋近于0。该方法解决了传统比例导引法在末端由视线角速率发散而导致的末端过载突变问题。     

一种利于交班的舰空导弹最优中制导律设计

针对舰空导弹超视距拦截低空飞行目标问题,在复合制导的中制导段,建立了导弹拦截目标的相对运动模型,依据制导平台无线电指令修正信息,考虑舰空导弹拦截低空目标时的飞行速度特性,给出了预测遭遇点的实时解算模型,并确定了利于中末制导交班的中制导终端约束条件。基于拦截预测遭遇点,引入伪控制量的概念,应用线性二次型最优控制理论,设计了一种基于拦截预测遭遇点的利于制导交班的最优中制导律,仿真结果验证了预测遭遇点实时解算模型和最优中制导律的正确性与有效性。     

一种改进的最优制导律及其仿真研究

高速再入飞行器通常具有末制导系统，为保证末制导系统的正常工作，制导律的设计不但要保证末端制导精度，还要使飞行器以一定的速度到目标，提出了一种改进的最优制导律设计方法，得到了可以保证末端速度方向的制导律，速度大小控制通常靠理想速度曲线来保证，按一定的规则将最优制导律与理想速度曲线结合起来就得到了满足全部要求的制导律。仿真结果表明：所提出的改进的最优制导律是合理、有效的。     

过虚拟交班点的能量最优制导律

针对固定目标的导弹过虚拟交班点制导问题，在希尔伯特空间下，基于最优化理论设计了有无终端落角约束两种情况下的全局能量最优制导律。通过对模型进行线性化，将提出的最优制导模型转化为线性二次型最优控制问题，在此基础上利用零控脱靶量（ZEM）概念对系统模型进行降阶，并推导出解析解。设计的制导律可以使导弹准确经过虚拟交班点，并实现期望终端落角。仿真结果表明，与经典制导律对比，该制导律可以显著减少全局控制能量消耗。     

基于偏置比例导引与凸优化的火箭垂直着陆制导

凸优化由于求解效率高在飞行器轨迹规划和制导中得到广泛研究应用。但是，由于火箭垂直返回制导需要考虑气动力带来的非线性，现有的凸优化求解方法或简单地采取逐次线性化近似凸化最优控制问题，经常出现收敛性问题；或需针对具体问题进行相应的系列凸化剪裁，虽然改善了收敛性，但不同模型的凸化剪裁方法差别很大，通用性较差。为此，将偏置比例导引与凸优化相结合，用以求解存在落角、落速和推力范围约束的火箭垂直返回定点软着陆制导问题。提出的制导方法将该制导问题分解为法向满足落角与落点约束的偏置比例导引，以及切向满足速度与推力约束的凸优化和滚动时域控制制导。在切向制导中，提出利用三次多项式近似飞行轨迹以方便凸优化求解，并建立剩余飞行时间的估算方法以提供给比例导引。仿真结果表明，提出的制导方法能有效满足各种约束，实现火箭精确着陆。与现有的直接采取逐次线性化近似的凸优化方法相比，提出的方法由于将制导进行切向和法向分解，大为简化了凸优化模型，显著提高了求解效率和收敛性。此外，提出的方法无需复杂繁琐的凸化处理，对于一般的推力可控且对末速存在约束的固定终端位置的制导问题皆适用。     

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...     

Satellite proximate interception vector guidance based on differential games

This paper studies the proximate satellite interception guidance strategies where both the interceptor and target can perform orbital maneuvers with magnitude limited thrusts. This problem is regarded as a pursuit-evasion game since satellites in both sides will try their best to capture or escape. In this game, the distance of these two players is small enough so that the highly nonlinear earth-centered gravitational dynamics can be reduced to the linear Clohessy-Wiltshire (CW) equations. The system is then simplified by introducing the zero effort miss variables. Saddle solution is formulated for the pursuit-evasion game and time-to-go is estimated similarly as that for the exo-atmospheric interception. Then a vector guidance is derived to ensure that the interception can be achieved in the optimal time. The proposed guidance law is validated by numerical simulations.     

大气层外拦截弹中段制导方法研究

针对大气层外拦截弹飞行中段采用固体燃料发动机，且关机后需要经过较长的无控滑行段才能进入末制导段的情况，提出一种基于拦截弹修正能力，且考虑无控滑行段拦截弹与目标引力差影响的中制导律。仿真表明，采用该制导律的拦截弹在发动机工作期间推力方向变化平稳，且可获得较高的制导精度。     

一种适用于大气层外动能拦截器的末制导律

 针对大气层外动能拦截器拦截问题,设计了一种简单有效的末制导律。推导出计算零控脱靶量一种新的解析表达式,由于在推导过程中考虑了两飞行器间重力差影响,得出的表达式相对于将两飞行器重力差简化为零重力模型得到的解析式具有更高的精度;根据平行接近法原理利用此表达式推导出一种简单的末制导律;详细介绍了脉宽调制(PWM)式实现变推力控制的方案,仿真中在考虑发动机工程约束的情况下,利用PWM技术对提出的制导律进行验证。对机动目标进行拦截仿真显示,提出的制导律在取得良好拦截精度的同时表现出较强的鲁棒性。     

导弹闭路制导最优化控制研究

导弹闭路制导的导引是基于＂燃料最省＂意义下的最优导引,并且在实际应用中,实现过程只是准最优的.提出了一种更优化的导引控制方法--通过控制实际推力方向与理想最优推力方向一致,使导弹的实际速度达到需要速度.该方法不但可以使实际应用过程最优化,而且适用于各种实际需求指标的导引控制.     

带攻击时间约束的导引律综述

带攻击时间约束的导引律是实现对敌饱和攻击的关键技术之一。按照导引方式的不同,将带攻击时间约束的导引律分为基于独立导引的攻击时间控制导引律和基于协同导引的攻击时间协同导引律2大类。分别综述了2大类导引律的研究进展,并对各种带攻击时间约束的导引律进行了分析对比。