攻击机动目标的被动寻的模糊变结构制导律研究

针对目标机动且仅有视线角速度测量的被动寻的制导问题,提出了被动寻的模糊变结构制导律。该制导律将目标机动视为干扰量,首先应用滑模变结构控制理论推导出滑模变结构制导律,然后采用模糊控制技术,根据目标加速度估计值来自动选取制导律开关项的强度,以达到削弱抖振的目的。在工程实现时,采用制导指令低通滤波的方法实现对弹体攻角和侧滑角的估计。将该制导律应用于电视制导航弹的数学仿真,并与滑模变结构制导律、比例导引制导律进行了比较。仿真结果表明,该制导律攻击机动目标的脱靶量较小,对估计误差具有较强的鲁棒性。     

基于滑模控制的非线性追踪导引律仿真设计

基于非线性追踪动力学模型,对追踪器和目标作一般机动(速度大小和方向都可变化)追踪过程进行研究。视目标机动为不确定摄动,分别考虑追踪视线径向和法向两个滑动面,应用变结构控制理论,并采用递减边界层的方法削弱滑模抖动,设计的非线性导引律,只需知道目标的最大机动限幅值,而不用对目标的逃逸机动进行即时估计与测量。仿真研究表明,该导引律具有克服目标机动的鲁棒性,可有效地追踪机动目标,包括随机机动目标。就追踪时间和控制消耗而言,其性能比比例导引律更优。     

AAG导引律在拦截机动TBM中的应用

对视线角加速度导引律(Angular Acceleration Guidance of the Line of Sight,AAG)在拦截TBM中的应用进行了研究，提出了基于卡尔曼滤波的视线角加速度估算方法，通过AAG与常规比例导引(PN)和增强比例导引(APN)的拦截仿真比较，证明了在弹目视线角加速度可准确估算的条件下，在拦截机动TBM目标方面，AAG导引律比常规PN导引律有效，比APN导引律更易于工程实现。     

NCJ型外层空间导弹的改进型PN导引律设计

针对前部喷管控制型外层空间导弹拦截提出了改进型比例导引(proportional navigation,PN)导引律,在目标的加速度大小和方向都有不确定性的情况下能够以零脱靶量命中目标。与以往的PN导引律不同,改进型PN导引律增加了消除偏差的项,且比例系数是时变的。此外,针对拦截的初始条件不理想的情况,提出了一个过渡的导引律,在经过有限时间采用过渡的导引律之后能够使得运动变量满足改进型PN导引律的适用条件。最后,通过仿真验证了所提出的算法的可行性。     

基于偏置比例导引的落角约束滑模制导律

为实现导弹以一定落角攻击装甲车辆等地面移动目标, 应用变结构控制理论, 推导基于偏置比例导引的落角约束滑模制导律, 并基于李雅普诺夫稳定性理论设计了参数自适应的幂次趋近律。考虑目标速度难以测量的问题, 引入扩张状态观测器(extended states observer, ESO)对目标速度进行估计。仿真结果表明, 所设计的制导律能够以要求的落角准确打击静止目标与机动目标, 且需用法向过载和命中点附近的法向过载较小, 弹道后段较为平直。     

一种新型鲁棒制导律的研究与仿真

针对导弹与目标相对运动被控模型,应用Lyapunov第二法设计了一种基于L2增益性能指标的鲁棒制导律.在目标机动和制导参数变化时,这种制导律显出较强的鲁棒性,并不需要精确的测量目标加速度,只需得到视线转率测量值,容易在工程中实现.仿真中,分析比较了相同初始条件下鲁棒导引律与比例导引律的抗干扰性能和终端制导精度.仿真结果表明,当存在目标机动和制导误差、角测量噪声时,鲁棒导引律的性能和精度明显优于比例导引律.当仅存在目标机动时,鲁棒导引律不占优势.部分仿真情况下,制导系统的性能和精度可能低于比例导引律.     

基于扩张观测器的三维动态面导引律

为提高导弹拦截高速机动目标的精度,基于自抗扰控制理论的估计补偿思想,设计了考虑自动驾驶仪动态特性和目标机动的三维动态面导引律。首先,建立了考虑自动驾驶仪动态特性的三维耦合制导模型;其次,针对制导模型中所存在的目标机动和测量噪声的干扰,设计扩张观测器估计目标机动和视线角速率,并将其应用到导引律的设计中;再次,基于动态面控制方法设计了三维空间导引律,避免了传统反演控制方法中的“微分膨胀”问题;最后,在目标作不同机动情况下,所设计的导引律与比例导引律、动态面导引律进行比较,仿真结果表明所设计的导引律具有更好的制导性能。     

真比例导引反高速目标拦截能力分析

针对反高速目标拦截作战过程中拦截弹中末制导交接班时刻状态约束设置的问题,分析了真比例导引制导律的拦截能力。首先,通过分析末制导阶段拦截弹和目标的相对运动关系,推导得到了成功拦截目标的充分必要条件以及目标速度前置角需要满足的约束范围;其次,在中末制导交接班不满足拦截条件的情况下,针对拦截高速非机动目标作战情形,通过分析拦截弹速度前置角和目标速度前置角的变化关系,给出了真比例导引静态捕获区(static capture region,SCR)的定义以及构成;然后,针对拦截高速机动目标作战情形,结合目标速度前置角约束范围得到了真比例导引动态捕获区(dynamic capture region,DCR)的定义以及构成;最后开展了3种情形下的数字仿真,验证了真比例导引拦截能力分析的合理性和有效性。     

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.     

变结构制导对未知目标机动的鲁棒性研究

研究了目标加速度测量噪声和未知目标机动对变结构制导规律鲁棒性的影响 ,分析了在这两种情况下 ,变结构制导规律鲁棒性应满足的条件。研究结果表明 ,不管对目标加速度测量噪声还是未知目标机动 ,只要合适地选择变结构制导规律中变结构项的参数 (与目标加速度测量噪声的幅值或未知目标机动幅值有关 ) ,就能保证命中目标 ,从而说明变结构制导规律是对机动目标进行拦截的最有效的制导规律之一。对比例导引、增广比例导引和变结构制导所做的仿真结果证实了该结论。     

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。     

突防导弹机动、制导与控制一体化设计

为提高导弹的突防能力,提出了一种机动、制导与控制一体化设计的方法。根据运动跟踪变结构控制理论设计了机动与导引协调的制导律。对于导弹飞行过程中存在的强耦合、快时变以及气动参数摄动引起的不确定性等问题,采用自抗扰控制技术设计制导与控制一体化系统。研究结果表明:设计的一体化系统解除了传统制导律对导弹机动性能的约束,显著地提高了导弹的机动灵活性和弹道的复杂程度;一体化控制系统具有良好的动态特性和很强的鲁棒性,能够适应复杂战场环境下的突防需求。     

基于滑模变结构的弹道跟踪制导律设计

针对防空导弹弹道跟踪问题,基于滑模变结构理论设计了一种弹道跟踪制导律。首先,采用弹道坐标变量而不是时间变量对导弹质点运动模型线性化,得到允许扰动范围更大的线性化模型;接着,基于单输入线性系统滑模变结构控制理论设计滑模面和制导指令,并给出制导系统工作原理;最后,在一定干扰作用下,将所设计的跟踪制导律应用于导弹质点运动仿真,从模型优劣、抑制随机风干扰能力、鲁棒性等方面进行分析,并与线性二次型调节器（linear quadratic regulator, LQR）跟踪制导律进行了比较,结果表明,该线性化模型与以时间为自变量的线性化模型相比具有一定优势,且滑模制导律对模型不确定性具有更好的鲁棒性。     

基于滑模变结构制导律的捕获区分析

针对拦截弹的中末制导交接班条件设置问题, 分析了以滑模变结构制导律为末制导律的捕获区。首先, 结合临近空间作战背景建立末制导段弹目相对运动模型。其次, 基于滑模变结构控制理论设计了一种能够保证拦截末端过载收敛且性能优良的滑模变结构制导律作为末制导律, 并对其稳定性进行分析。然后, 分析了零控拦截条件并对滑模变结构制导律的捕获区进行理论推导、分析与证明, 得到了滑模变结构制导律的捕获区边界。最后, 通过设计4种情形下的仿真实验, 验证了本文捕获区分析的正确性。     

基于非奇异Terminal滑模的导弹末制导律研究

结合导弹拦截的精确末制导问题,提出了一种基于非奇异Terminal滑模的鲁棒末制导设计方法。基于Terminal滑模控制中滑模面上的跟踪误差能够在有限时间内收敛到零的思想,在末制导滑模中引入非线性项,代替传统线性变结构滑动模态的设计,同时将目标的机动加速度视为已知的有界扰动,并实时对极值进行自适应估计,推导出一种非奇异Terminal滑模制导律(TSMG)。导弹在TSMG制导律的导引下,弹目视线角速度可以快速收敛,从而保证导弹有很高的命中精度。仿真结果表明非奇异Terminal滑模制导律设计的有效性。     

一种随机滑模变结构制导律的设计

针对导弹在目标拦截过程中的特点,考虑到系统的状态噪声和观测噪声等随机因素的影响,以随机滑模变结构控制理论为基础,设计了一种随机滑模变结构制导律.此制导律考虑导弹在目标拦截过程中滤波器和控制器的相互联系,综合了最优制导律视线角速度收敛和滑模变结构制导律鲁棒性强的优点,通过理论分析证明闭环系统在随机意义下的滑模次可达性.最后通过仿真验证了设计方法的正确性.     

考虑导弹动态延迟特性的滑模导引律设计

基于平面拦截问题,考虑导弹自动驾驶仪一阶动态延迟特性,应用滑模变结构控制方法,以零化视线角速率为目的,设计了一种滑模导引律。该导引律可使得滑模面在有限时间内收敛至零,进入滑模面后可确保视线角速率在制导结束前收敛于零,从而保证高制导精度,且导引律中的变结构项只要大于目标加速度的变化率即可保证制导系统的有限时间收敛性和鲁棒性,从而大大降低了制导系统的抖动。最后以空中拦截为例,仿真验证了在导弹自动驾驶仪存在大延迟和目标做大机动逃逸下,该导引律具有良好的制导性能和高制导精度。     

Nonlinear differential geometric guidance for maneuvering target

Based on the idea of zeroing the line of sight rate(LOSR),a novel nonlinear differential geometric(DG) law for intercepting the agile target is proposed.In the first part,the DG formulations are utilized to describe the relatively kinematics model of missile and target,and the nonlinear DG guidance(DGG) law is proposed based on the nonlinear control theory to eliminate the influence brought by target.Further,the missile guidance commands are derived to overcome the information loss caused by decoupling condition,the new necessary initial condition is developed to guarantee capture the agile target.Then,the designed nonlinear DGG commands are transformed from an arc-length system to the time domain.A desirable aspect of the designed guidance law is that it does not require rigorous information about target acceleration.Representative numerical results show that the designed guidance law obtain a better performance than the traditional DGG law for agile target.     

拦截主动防御目标的微分对策制导律

针对目标可以对攻击弹进行主动防御的交战场景, 提出了一种拦截主动防御目标的微分对策制导律。首先, 建立了攻击弹、目标和防御弹的相对运动模型, 并在碰撞三角形附近进行了线性化。然后, 在防御弹采用某种已知的线性制导律的情形下, 把该作战场景中攻击弹与目标的对抗问题, 描述为一个含不等式约束的线性二次型微分对策问题。最后, 基于微分对策理论, 设计了攻击弹的制导控制策略, 可同时达到两个目标: 以某一特定的脱靶量避开防御弹; 对目标实现直接碰撞。仿真结果表明了该制导律的有效性。