基于零控脱靶量的大气层外拦截中制导方法研究

针对大气层外拦截器在中制导结束后还需要长时间无控飞行的情况,基于零控脱靶量思想采用最优控制理论,对拦截器和目标的相对运动关系进行了理论推导,以脱靶量和中制导加速度为性能指标,设计了一种拦截器发动机固定推进时间的中制导策略,研究了拦截器制导精度与零控脱靶量预测精度的关系,提出了调节拦截器机动过载大小的实现途径。仿真结果表明,设计的中制导律精度高、可靠性好、形式简单,在脱靶量计算得足够精确时,中制导结束后的零控脱靶量可控制在百米量级内,为拦截器以动能碰撞方式拦截目标创造了优良的末制导条件。     

前向拦截的三维制导模型及制导律设计

为了解决拦截器导引头的气动加热问题,提出了前向追踪(Head Pursuit)制导方法。该方法是将拦截器导引到目标轨道的前方并沿着和目标相同方向飞行,而在目标轨道的前方拦截目标,要求拦截器的速度低于目标的速度。在建立了目标和拦截器的三维制导模型基础上,采用全局二阶滑模控制理论设计了二阶滑模HP非线性制导律。并在考虑目标机动加速度未知的情况下,设计了观测器对目标机动加速度进行估计。通过拦截器拦截目标的弹道的数字仿真验证了制导模型和制导律的正确性。     

一种前向拦截的非线性变结构制导律

前向拦截制导方法是将拦截器导引到目标轨道的前方并沿着和目标相同方向飞行而拦截目标.这种方法要求拦截器的速度低于目标的速度,可以解决拦截器导引头的气动加热问题.在建立了目标和拦截器的运动学模型基础上,基于李亚普诺夫稳定性理论,在考虑目标机动加速度未知的情况下,根据滑模变结构控制对干扰和摄动的自适应性设计了前向拦截非线性变结构制导律.通过拦截器拦截目标弹道的数字仿真验证了制导律的正确性.     

基于零控拦截的微分几何制导律

基于零控拦截打击的思想设计了一种新型微分几何制导律.论文首先介绍了微分几何相关知识,基于伏雷内(Frenet)坐标系分析了拦截器和目标的相对运动学关系,基于零控拦截的思想设计了一种新型微分几何制导律,并给出拦截器速度方向矢量变化的迭代计算方法.其次,结合圆形相关理论,利用李亚普诺夫稳定性定理对设计微分几何制导律的稳定性进行了详细证明推导.最后通过仿真表明,该制导律可有效拦截机动目标,相对于传统的比例导引律,设计的新型微分几何制导律制导精度高,拦截时间短,避免了末端过载快速增大的现象,降低了执行机构的要求.     

反弹道导弹动能拦截器的新型最优制导律

针对大气层外动能拦截器拦截弹道导弹的末制导过程 ,提出了一种新型最优制导律。由于采用了一种新的剩余时间计算方法 ,这种最优制导律产生的加速度指令可以通过拦截弹的轨控系统 (弹体纵轴方向无控 )实现。最后 ,采用新型最优制导律和传统比例导引律分别进行了拦截过程的计算机数值仿真 ,仿真结果表明了这种新型最优制导律的有效性。     

三轴稳定质量矩拦截器的末制导律设计

针对大气层内的机动飞行目标,提出了一种可用于质量矩拦截器末制导段的比例制导律。通过建立三轴稳定质量矩拦截器的数学模型,得到一个非线性动力系统。考虑到法向过载变化比较灵敏的特点,以姿态角及过载的误差作为指标函数,采用遗传算法对PD控制参数进行寻优设计,建立了滑块位置与过载、姿态角的关系。仿真结果表明,该方法在保证姿态稳定的情况下能有效实现拦截器末段的制导控制,且满足一定的精度要求。     

多约束多输入拦截器姿轨一体化复合控制

针对临近空间动能拦截器，提出了一种高精度、低能耗的姿轨一体化复合控制方法。首先，基于拦截器运动学、动力学方程、执行机构特性及全捷联导引头结构，建立了全捷联姿轨复合控制拦截器制导控制系统模型；其次，利用反正切函数设计了包含体视线角约束的映射函数，并针对姿轨耦合问题，结合高阶滑模控制设计了姿轨一体化复合控制律，在满足体视线约束和交会角约束的同时，完成了多个控制任务；最后，基于李雅普诺夫稳定性理论证明了控制律控制下系统的稳定性，并通过仿真验证了一体化设计方法的优越性、映射函数约束的有效性，以及控制律的鲁棒性。     

大气层外主动防御三维自适应滑模制导律

针对提高弹道导弹中段突防成功概率问题,提出了主动防御滑模自适应制导律。首先,推导出目标、拦截导弹和防御导弹的三维相对运动方程。其次,基于三角拦截制导策略,利用Lyapunov稳定性理论设计了主动防御滑模自适应制导律(active defense adaptive sliding mode guidance law,AD-ASMG)。该制导律能同时达到两个制导目标:防御导弹处在目标和拦截导弹视线上,保持三点共线;零化防御导弹对拦截导弹的视线转率。最后,针对开关式轨控发动机推力大小不可调节的问题,考虑了发动机动态特性,设计了精确的脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)控制方法,获得可变的等效力,适应制导指令变化的要求。六自由度仿真结果表明了该制导律的有效性。     

针对机动目标的三维实时滚动优化制导策略

为解决目标机动策略未知条件下的飞行器拦截问题, 提出一种基于神经网络的三维滚动优化制导策略。首先, 针对全局最优导引律终端时刻难以确定的问题, 在滚动时域优化框架下, 引入零效脱靶量设计局部最优导引律, 并使用粒子群优化算法进行求解。其次, 为了提高制导律在线求解效率, 构建神经网络, 对优化算法滚动求解得到的若干组制导训练数据进行离线学习, 并将经过训练的网络用于制导指令在线滚动优化。仿真结果表明, 神经网络-滚动优化制导策略对采取各类机动方式的目标均具有较好的制导性能, 有效提高了制导指令在线优化效率, 可以为飞行器制导律实时滚动求解提供参考。     

考虑发动机推力受限和动特性的有限时间收敛制导律

针对发动机推力受限和动态延迟的制导问题,设计了一种具有鲁棒性的非奇异滑模制导律,并证明了有限时间收敛条件。首先,基于平面弹-目相对运动学关系,建立了考虑发动机一阶动态延迟的弹-目相对运动数学模型。其次,基于有限时间理论,证明了推力受限下制导律有限时间收敛条件及其性质;并推广到动态延迟情况下,设计了非奇异滑模制导律;最后,用边界层函数代替符号函数去除抖振。仿真结果表明了制导律具有更高的制导精度并对高速目标机动具有鲁棒性,验证了有限时间收敛条件和性质。     

基于零化视线角速率的非线性预测制导律

利用非线性预测控制理论设计了一种零化视线角速率的预测制导律. 首先, 以弹目视线角速率为反馈项, 最小化预测误差为性能指标, 基于非线性预测控制理论和最优化理论推导出非线性预测制导律, 并对闭环回路的稳定性进行了证明. 其次, 针对制导律中含有的目标机动项信息, 设计了一种基于时间延迟控制理论的滤波算法, 并应用于预测制导律, 最后仿真考虑到导弹的延迟环节, 采用三阶自动驾驶仪模型, 验证了设计的制导律能够有效拦截机动目标, 与传统比例导引相比, 视线角速率变化平稳, 克服了末端视线角速率变化过快而导致过载饱和的情况, 降低了对执行机构的要求.     

突防弹与EKV对抗数字仿真系统设计与实现

为更好进行机动突防及拦截仿真研究,设计了一个弹道导弹与大气层外动能拦截器（EKV）攻防对抗的数字仿真系统。在统一的空间与时间中,建立了弹道导弹的飞行状态模型、拦截导引模型、剩余飞行时间估计、脱靶量计算等系统算法模块,并对目标机动突防、比例与最优导引拦截等想定进行数字仿真。结果表明：该系统可在多种对抗环境下检测攻防性能,采用模块化设计便于算法升级或想定变换,为拦截、规避性能评估,攻防对抗策略研究等提供性能测试平台。

Abstract：

To research on missile maneuver and intercepting simulations better, a numerical simulation system for onrushing missile versus intercepting EKV was set up. With the same coordinate system and clock, the ballistic missile flight state model, EKV guidance model, the time-to-go estimation algorithm and miss distance calculation algorithm were all accomplished. At last, the scenarios that target maneuver, interceptor guided by proportional navigation （PN） and by optimal guidance law （OGL） were simulated in the simulation system. It indicates that the system can run well in such scenarios. It is designed by modularization that makes it easy to upgrade algorithm or scenario. The system provides a nice performance test flat roof to the missile maneuver, intercepting and drawing a counterplot.     

冲突多目标相容预测控制

两层结构的相容控制框架可以解决复杂冲突多目标控制问题,但其需要克服的困难是多目标直接优化、第一层所选区间目标的实现和在线实时优化控制。采用多目标遗传进化算法解决了直接优化多目标的工具问题。为能实现第一层中所选择的控制目标,第二层中设计了不同于第一层中形式的指标,并加入选择函数以反映实际系统的需要。结合预测控制思想的特点,提出了在线迭代遗传算法,解决了在线优化速度问题。以预测控制动态过程中误差、能耗两个目标为例对相容预测算法进行了说明。     

带攻击角度约束的浸入与不变制导律

对含攻击角度约束的机动目标拦截问题,基于非线性系统控制的浸入与不变(immersion and invariance, I&I)理论设计了一种新的自适应制导律。将目标机动综合作用作为系统干扰建立拦截问题的数学模型。制导律设计分两步完成:第一步设计I&I干扰估计器估计系统干扰,第二步设计考虑估计器跟踪误差下的I&I制导律。然后基于输入-状态稳定理论证明闭环制导系统稳定性。由于不涉及切换函数的问题,制导指令光滑连续。在该制导律作用下,视线角速率收敛速度快,导弹抗目标机动的鲁棒性强,并能够保证攻击角度要求,仿真证实了制导律的有效性。     

An impact angle constraint integral sliding mode guidance law for maneuvering targets interception

An integral sliding mode guidance law(ISMGL)combined with the advantages of the integral sliding mode control(SMC)method is designed to address maneuvering target interception problems with impact angle constraints.The relative motion equation of the missile and the target considering the impact angle constraint is established in the longitudinal plane,and an integral sliding mode surface is constructed.The proposed guidance law resolves the existence of a steady-state error problem in the traditional SMC.Such a guidance law ensures that the missile hits the target with an ideal impact angle in finite time and the missile is kept highly robust throughout the interception process.By adopting the dynamic surface control method,the ISMGL is designed considering the impact angle constraints and the autopilot dynamic characteristics.According to the Lyapunov stability theorem,all states of the closed-loop system are finally proven to be uniformly bounded.Simulation results are compared with the general sliding mode guidance law and the trajectory shaping guidance law,and the findings verify the effectiveness and superiority of the ISMGL.     

考虑雷达导引头前馈补偿的一体化制导方法

针对大机动目标使空空导弹雷达导引头跟踪误差加大和制导精度下降的问题,提出了一种考虑雷达导引头前馈补偿的一体化制导方法。针对机动目标,构造视线角速度前馈补偿回路,对雷达导引头角跟踪系统进行补偿,提高导引头响应速度,降低跟踪误差角。基于视线坐标系设计一体化制导算法,采用卡尔曼滤波器对弹目视线角速度和目标加速度进行估计,将视线角速度信息前馈补偿到导引头跟踪回路中,将目标加速度信息补偿到最优制导律中,同时实现雷达导引头视线角快速跟踪和最优制导律制导信息提取。仿真结果表明,一体化制导算法可同时实现对导引头视线角速度和目标机动的估计,从而提高制导精度。     

考虑目标机动的固定配平飞行器制导方法

针对固定配平飞行器追踪地面机动目标问题,提出具有螺旋机动的制导律。首先,建立了误差角、误差平面描述飞行器机动目标相对运动的数学模型并讨论了误差角对飞行器末速度的影响。在此基础上,考虑飞行器控制能力,设计了连续非线性形式的误差角指令。然后,考虑地面机动目标的情况,采用扩张状态观测器对其加速度进行估计,并采用预测模型得到虚拟目标点运动信息。最后,设计了含有虚拟目标点的指数形式收敛的制导律。仿真结果表明,该螺旋机动制导律能保证飞行器精确跟踪地面机动目标,并具有鲁棒性。     

考虑自动驾驶仪动态鲁棒自适应变结构制导律

对于平面拦截问题,基于Lyapunov稳定性理论,应用滑模趋近律概念,将目标的机动加速度视为一类有界扰动,以视线角速率作为零输出状态变量,甚至不需要知道目标机动的界,考虑导弹自动驾驶仪的延迟,综合设计了一种具有强鲁棒性的末端导引规律。理论分析与数字仿真表明,这种制导律不但具有平直的弹道特性,而且具有很强的鲁棒性和适应性,同时方法简单、易于理解,便于工程应用。     

考虑盲区的多移动传感器地面目标检测跟踪调度方法

针对地面目标检测跟踪任务以多移动传感器系统为调度对象，提出一种考虑盲区的传感器调度方法。首先，建立了目标检测模型，基于贝叶斯风险理论给出了目标检测损失的计算方法以评估检测性能。然后，考虑多普勒盲区和视野盲区的影响，建立了目标跟踪模型，并给出了基于盲区信息辅助的目标跟踪算法以应对盲区出现时目标状态估计问题。最后，建立了传感器优化调度模型，结合检测损失、跟踪精度、传感器能耗等因素建立了目标优化函数。仿真结果表明，所提调度方法能够有效解决多移动传感器协同调度问题，所得的最优调度方案可在兼顾检测性能、跟踪性能和控制能耗的同时，使整体作战收益达到最佳。