多无人机协同打击制导控制技术研究进展

自杀式无人机具备长时巡航侦察和高速突防打击的特点,为充分发挥其集群进攻优势,突破复杂环境下的协同打击制导控制技术具有重要意义。由单机控制到集群动态协同、由单一约束到时空综合控制是探索时空约束下多机协同控制的基本思路。本文介绍了无人机集群进攻的应用背景,分析了多机协同打击系统发展现状;探究了攻击时间可控制导律、攻击角度可控制导律、时空约束下集群协同制导控制等关键技术;总结了当前无人机协同运用中的不足之处,并对下一步的研究方向进行了展望。本文研究的内容对于集群攻击作战运用及多机协同控制器的设计具有一定的参考意义。     

事件触发机制下具有视场约束的三维协同制导

针对多枚反舰导弹同时攻击舰艇目标的实际需求,考虑导引头视场角约束,研究了事件触发控制方式下的时间协同制导问题。基于三维耦合模型提出了一种由三维比例导引律（PNG）和事件触发偏置项组成的三维时间协同制导律,并给出了事件触发条件。该偏置项利用非线性函数来确保总前置角的有界性,以满足导引头的视场角约束,并且通过分布式事件触发一致性协议,使弹群的攻击时间能够收敛到一致,并有效降低协同控制系统更新频率,减少通信资源消耗。基于Lyapunov理论证明了所提出分布式协同制导律的稳定性,且不存在Zeno现象。最后,通过数学仿真验证了所提出的三维协同制导方法的有效性和鲁棒性。     

基于最优误差动力学的时间角度控制制导律

针对带有攻击时间和终端攻击角度约束的导弹制导问题,设计了一种基于最优误差动力学的时间角度控制制导律,并给出了明确的性能指标。推导广义最优角度控制制导律作用下的剩余飞行时间估算表达式,在广义最优角度控制制导律的基础上增加攻击时间误差反馈项,将攻击时间误差看做跟踪误差,设计的制导律使跟踪误差以最优模式在有限时间内收敛到零,最终实现攻击时间和终端攻击角度的共同控制。对不同参数下的情况进行仿真,验证了所提制导律的有效性。     

带攻击角度约束的有限时间收敛制导律

针对航空制导武器带有攻击角度约束打击地面目标的制导问题,提出了基于快速非奇异终端滑模的有限时间收敛制导律.通过引入非奇异终端滑模面,避免了制导过程中可能产生的奇异问题,该制导律具有快速收敛的特性,能够满足攻击角度约束的要求.基于Lyapnov稳定理论证明了有限时间收敛的特性,并给出了收敛时间表达式.仿真结果表明,该制导律具有快速收敛特性,能够满足脱靶量和末端攻击角度的要求,相比传统带落角约束制导律,具有一定的优越性.     

攻击时间约束下的三维制导律

基于三维空间内导弹-目标的相对运动方程,针对固定目标,提出了一种攻击时间约束下的多导弹协同攻击的三维制导律。俯仰通道设计了滑模变结构制导律,偏航通道基于动态逆控制理论,采用机动控制,调整导弹的攻击时间,使其趋于指定值,并与在俯仰通道采用推导的增广比例制导律作了比较。最后,仿真结果表明,该制导律最终能使攻击的剩余时间误差趋于零,能够满足对制导精度和攻击时间的要求,证明了算法的正确性和优越性。     

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。     

基于虚拟视角约束的机动目标拦截制导方法

为使导弹能够以一定的末端攻击角度对机动目标进行拦截,提出了一种带有终端虚拟视角约束以及终端视线角约束的机动目标拦截制导方法。基于速度系各运动矢量之间的变换关系,建立了虚拟相对运动坐标系下的非线性模型,并将线性模型中多项式制导的思想创新性地引入到非线性模型中,通过末端虚拟视角约束以及末端视线角约束对关于弹目距离的多项式虚拟控制量进行求解,并根据虚拟矢量与运动矢量之间的变换关系得到速度系下的加速度指令表达式。针对不同制导系数、不同末端攻击角度及不同类型的机动目标等条件进行了仿真验证,同时与弹道成型制导律进行了仿真对比。仿真结果表明,所提出的制导律可以使导弹以期望的攻击角度拦截机动目标,末端虚拟视角收敛为零,避免了末端指令饱和现象。     

二阶弹体特性下带终端角度约束的制导律

针对导弹要求限制终端攻击角度以发挥战斗部的最大效能,提出了一种适用于攻击地面固定目标的具有终端角度约束的最优制导律,并和已有的具有终端角度约束的最优制导律进行了比较。该制导律针对二阶弹体特性,采用最优控制方法,使导弹在命中目标的同时,满足终端角度约束。数字仿真结果表明,所提出的制导律能够实现终端角度约束条件,具有较高的制导精度。     

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。     

考虑驾驶仪动态特性的固定时间收敛制导律

针对打击机动目标的制导问题,设计了一种同时考虑攻击角度约束、自动驾驶仪动态特性和固定时间收敛的新型制导律。首先,基于非奇异终端滑模控制和固定时间稳定性理论,采用反步递推方法设计制导律。在制导律设计过程中,设计了一种固定时间收敛的非奇异终端滑模面,基于固定时间控制和滑模控制,设计虚拟控制律,构造一种非线性一阶滤波器解决传统反步设计中的"微分膨胀"问题。基于超螺旋算法和固定时间稳定性理论,设计了一种固定时间收敛的滑模干扰观测器,用于估计目标机动等干扰。然后,基于Lyapunov稳定性理论,对制导律的固定时间稳定性进行了证明,并给出了收敛时间的表达式。最后,通过仿真分析,验证了所提制导律的有效性,和现有制导律相比,所提制导律具有较高的制导精度和角度约束精度、较快的系统收敛速度以及较少的能量消耗。