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。     

基于SDRE具有终端碰撞角约束的非线性微分对策制导律

通过非线性微分对策理论讨论了具有终端碰撞角约束的弹目追逃问题,提出了基于求解状态相关黎卡提方程(state dependent Riccati equation,SDRE)的方法解决该微分对策问题,得到了具有终端碰撞角约束的SDRE解析解。提出的终端碰撞角约束制导律是以弹目视线角速率及碰撞角误差为状态向量进行推导,并研究了闭环系统局部渐进稳定的条件。该制导律不需要进行剩余时间的预测。最后针对目标不进行机动、进行阶跃机动、正弦机动及目标最优机动形式4种情况,进行了制导律的仿真验证,仿真结果表明该制导律对于不同机动目标均具有良好的制导效果且能很好地满足末端碰撞角约束要求。     

主动雷达型空空导弹最优末制导律工程研究

构造了拦截加速机动目标的空空导弹末制导状态模型。提出了脱靶量和横向加速度综合最小的导引指标，并用线性二次型的形式求解了最优导引律。从工程应用的角度出发，设计了能用于主动雷达制导弹的次优末制导律。大量的仿真试验表明，该导引律的性能好于比例导引律平均脱靶量小20.3%，所用横向加速度小28.1%，成功拦截率大13%。     

基于鲁棒精确微分器的分数阶滑模制导律设计

针对具有碰撞角约束的机动目标拦截问题, 提出一种有限时间收敛的分数阶终端滑模制导律。首先, 建立二维平面的导弹目标相对运动模型。其次, 分别选择分数阶滑模面和分数阶趋近律, 设计分数阶终端滑模制导律, 并对制导系统的有限时间稳定性进行了证明。同时, 为准确获得目标机动信息, 提出一种基于鲁棒精确微分器的目标机动加速度估计方法, 对制导律进行补偿。最后, 通过与相关制导律的对比仿真, 验证了所提分数阶终端滑模制导律具有较高的制导精度, 同时可有效抑制滑模抖振。     

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.     

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。     

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。     

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。     

大落角机动目标逆轨拦截最优滑模制导律设计

针对阵地防空中大落角机动目标较难拦截的问题, 首先采用最优控制理论设计了具有攻击角约束的最优制导律, 为提高最优制导律的鲁棒性，结合变结构控制理论设计了带攻击角约束的最优滑模制导律。考虑到目标弹道倾角通常难以测量的问题, 采用扩张状态观测器对目标弹道倾角进行估计。基于李雅普诺夫稳定性理论对最优滑模制导律进行稳定性分析, 设计了能保证系统稳定的参数变化函数。仿真结果表明, 最优滑模制导律能以期望的攻击角和较小的脱靶量命中目标, 制导过程中指令变化较为平稳, 对目标的加速度机动具有较强的鲁棒性。     

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。     

基于扰动观测器的终端角约束滑模导引律

为了对导弹攻击机动目标时的终端角进行约束,提出了一种基于扰动观测器的滑模导引律。将导弹速度的时变、运动目标的机动逃逸等视为对导弹目标相对运动系统的总扰动,采用扰动观测器对总扰动进行有效估计,结合滑模控制理论提出了一种对导弹终端角进行约束的导引律,并基于李雅普诺夫稳定性原理证明了该导引律的渐进稳定性。为满足制导精度并有效地抑制抖振,运用边界层法对该导引律进行了改进,分析并确定了制导精度、边界层厚度和导引律系数之间的关系。仿真结果表明,该导引律具有良好的导引性能和鲁棒性,且与普通的滑模导引律相比,具有较小的导弹最大法向加速度和较平缓的法向加速度变化过程,有利于工程实现。     

考虑布儒斯特角约束的复合积分制导律设计

雷达导引头下视探测超低空目标时,受多径效应的影响,严重降低了跟踪的精度。将弹目视线角约束在布儒斯特角附近,可有效降低多径干扰的影响。基于积分滑模控制的思想,设计出一种线性积分滑模制导律,该制导律相对于传统的滑模制导律而言,由于省去趋近滑模运动阶段,具有更快的渐进收敛特性。为了进一步提高视线角的收敛速率,设计了非线性积分滑模制导律,该制导律可保证弹目视线角在有限的时间内快速收敛至布儒斯特角。为了解决积分滑模开关项高增益系数引起的抖振问题,设计了滑模扰动观测器来估计目标的机动加速度。结合非线性积分滑模制导律,引入目标加速度的估计值,设计出一种复合制导律。结果表明,该复合制导律能有效地消除抖振现象,减小脱靶量,提高拦截的精度。     

适用于超低空拦截的复合制导律设计方法

防空导弹在拦截超低空目标时，多径效应的存在会大大降低导弹雷达导引头探测跟踪目标的精度。为降低多径干扰的影响，可将弹目视线角(line of sight, LOS)约束在布儒斯特角附近，但是多数的研究仅仅是在弹目交汇处将其约束至布儒斯特角。基于模型预测控制可跟踪期望LOS的特点,设计出一种模型预测制导律。针对超低空目标机动扰动对制导精度的影响,设计了滑模扰动观测器对目标加速度进行估计。最后,将模型预测制导律与目标加速度的估计值相结合设计了一种复合模型预测制导律。仿真结果表明,采用复合制导律能够保证拦截弹以期望的布儒斯特弹道对超低空目标进行跟踪和拦截,同时可将LOS速率收敛至0,最大程度降低多径干扰的影响,从而提高拦截精度。     

考虑自动驾驶仪动态特性与攻击角约束的模糊自适应动态面末制导律

在大口径舰炮制导炮弹打击近岸机动目标的末制导段,考虑自动驾驶仪二阶动态特性与攻击角约束,基于模糊自适应逼近与动态面控制提出一种末制导律。构建二维弹目相对运动模型,运用扩张状态观测器估计目标加速度。为零化视线角的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动态面滑模,设计模糊自适应系统逼近变结构项,削弱自动驾驶仪的控制指令抖振。通过Lyapunov第二法证明了闭环系统中视线角的跟踪误差与视线角速率均一致最终有界。仿真实验表明:该制导律使制导炮弹在打击具有不同加速度形式的目标时,均具备较好的末制导性能。     

带落角约束和目标机动补偿的三维制导律

针对反舰导弹按预定方向攻击机动目标的问题,在目标信息较少的情况下,基于带有目标机动加速度的三维弹目相对运动模型,模型纵向航向通道间存在耦合,从便于工程实现的角度,根据李雅普诺夫稳定性定理以及变结构控制理论,分别设计了两种带落角约束和目标机动补偿的导引律:增广比例导引律(augmented proportional navigation guidance law, APNG)和变结构导引律(variable structure guidance law, VSG)。导引律只需要在线测量弹目视线角和视线角的角速度两个变量,并从理论上证明了制导系统的稳定性。仿真结果表明,APNG比传统比例导引(proportional navigation guidance law, PNG)的制导精度明显提高,脱靶量减小。但是比VSG的效果要差一些,尤其是当目标机动加剧时,VSG对于目标机动的鲁棒性更高,优势更为突出。     

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。