高超声速滑翔飞行器动态逆解耦跟踪控制方法研究

针对临近空间高超声速滑翔飞行器再入段俯仰偏航以及滚动三通道运动存在非线性耦合严重的情况,建立了高超声速滑翔飞行器的多变量强耦合非线性时变倾斜转弯控制模型,提出了一种将过载控制转化为所需迎角侧滑角及滚转角误差的三通道联合跟踪控制方法,根据高超声速滑翔飞行器制导回路快速性的动态性能要求,设计了一种基于非线性动态逆及状态反馈的解耦综合控制器,闭环仿真结果表明该方法能够实现三通道运动解耦控制和制导指令跟踪,满足系统动态性能的要求。     

多约束条件下的最优中制导律设计

考虑到三维空间目标导弹相对运动方程的非线性特性以及中制导段的多约束条件,采用Gauss伪谱法设计了一种多约束条件下的最优中制导律,同时考虑了导弹自动驾驶仪的二阶动态特性。考虑的约束条件包括:交班距离、视线角、视线角速率以及过载指令。性能指标为剩余飞行时间n次方的倒数乘以控制输入的平方的积分。研究结果表明,在性能指标中引入时变权重系数时,虽然消耗的燃料有所增加,但是导弹在满足交班约束条件的同时过载指令能够收敛至零,利于中末制导的顺利交接。     

RLV末端能量管理段三维制导轨迹推演研究

研究了重复使用运载器(reusable launch vehicle, RLV)末端能量管理段(terminal area energy management, TAEM)三维制导轨迹推演算法。根据初始点和终点的位置、航向、动压,规划动压参考剖面和横侧向参考轨迹,采用基于高度的质点动力学方程推演生成符合过载、动压、终点位置和航向约束条件的三维制导轨迹。横侧向参考轨迹的设计可以分成两步：第一步,消除横向的位置误差,同时减小纵向的位置误差;第二步,消除纵向的位置误差。根据纵向位置误差大小,组合使用三种模态的轨迹予以消除,节省了计算量。仿真计算显示,三维制导轨迹推演算法具有快速、准确、对初始点位置和航向分布鲁棒性强的特点,为在线轨迹设计提供了基础算法。     

基于二阶滑模控制的微分几何制导律

针对机动目标拦截设计了一种零化视线角速率的微分几何制导律。首先,基于古典微分几何原理,对弹目拦截的空间几何关系进行分析,建立了弹目拦截的相对运动学模型;其次,针对外界干扰对非线性仿射系统的影响,设计了二阶滑模变结构控制器,并对控制器的稳定性和有限时间收敛性进行了分析。再次,以二阶滑模控制器为基础,将目标机动作为外界扰动项,基于零化视线角速率的思想设计微分几何制导律。为克服解耦条件下带来的信息丢失,利用李群理论,给出了非解耦条件下导弹制导曲率指令和挠率指令的计算方法,同时为避免拦截过程中制导指令出现奇异,对拦截的初始条件进行了研究,给出了导弹拦截目标的捕获条件。最后仿真表明,所设计的微分几何制导律制导精度高,拦截时间短,过载变化较为平稳,相对于传统的非线性微分几何制导律,大大提升了制导性能。     

两回路/三回路驾驶仪对闪烁背景下

针对闪烁噪声成为雷达末制导段主要随机误差之一,从控制系统设计的角度研究了闪烁背景下制导精度改进问题。建立了闪烁噪声作用下的制导控制模型,模型中引入了平台导引头动力学,研究了闪烁噪声对制导指令的影响;将控制系统设计指标选择为时域/频域混合的设计指标,选用开环穿越频率约束下极点配置方法完成了两回路/三回路过载驾驶仪的设计,研究了不同控制系统设计指标下的比例导引末制导脱靶量。研究表明,比例导引制导系统采用经典两回路过载驾驶仪时,通过适当增大开环穿越频率、适度减小系统阻尼,可以减小闪烁噪声造成的脱靶量;而当采用经典三回路过载驾驶仪时,则可以通过适当增大开环穿越频率、适当减小二阶阻尼或者增大一阶环节时间常数的方法来减小闪烁噪声下的脱靶量。     

采用不同导引头的激光制导航弹捕获概率对比分析

激光制导航弹经过一段零指令方案飞行捕获到目标后转入末制导,在零指令方案飞行段,风标弹导引头的指向沿空速矢量方向,比例弹导引头的指向沿弹轴方向,二者相差一个角度,此角度无风时为,有风时为.通过分析无风时和有风时的变化规律以及制导航弹捕获目标的条件,以等效视场角的方法对比分析二者的捕获概率.通过蒙特卡洛打靶,得出二者捕获概率无显著差异的结论.     

#br# 基于伪谱重构的采样反馈近最优制导

利用采样反馈控制和轨迹快速重构技术,设计了固定采样反馈和自适应采样反馈两种有限推力远程变轨近最优闭环制导策略。建立了空间变轨和交会最优制导数学模型。结合变轨运动方程特征,给出了伪谱优化参数缩减方法和实时性提升策略;基于采样反馈和最优控制理论,利用采样数据进行连续轨迹重构,并将开环最优解进行闭环反馈以更新制导指令。仿真结果表明,两种策略在保证任务指标近最优性的同时,可以有效抑制地球扁率J2摄动和计算误差的影响;自适应采样策略自主性好、制导精度误差收敛快,但计算量和燃耗偏大,二者使用时需要根据具体任务要求合理选择。     

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。     

一种适用于红外制导弹药的偏置比例导引律

针对弹道成型制导律不适用于红外制导弹药的落角约束,提出了一种无需剩余飞行时间信息的偏置比例导引律。根据建立的弹目相对运动几何模型和碰撞三角形,推导出了期望落角与需用偏置积分量之间的函数关系;求出了偏置比例导引无量纲弹道闭环解与稳定域,并分析了不同因素对偏置比例导引律制导性能的影响;最后对比研究了偏置比例导引制导律与弹道成型的性能。仿真结果表明,偏置比例导引律在落角精度、制导精度与最大需用过载这些关键制导性能指标方面接近于弹道成型制导律,适用于红外制导弹药对地面运动装甲目标的落角约束问题。     

一种打击地面固定目标的自适应比例导引律

针对某些制导导弹垂直打击地面固定目标的任务要求,研究了具有末端落角约束且无需测距信息的自适应比例导引律.通过分析导弹在导引段的纵向平面运动方程和侧向平面运动方程的特点,设计了实现垂直打击任务的制导逻辑.同时为了增强导引律的鲁棒性,提出了一种导引系数自适应更新的方案.仿真结果表明,与最优导引律相比,自适应比例导引律的制导精度受初始速度倾角、制导指令时延、制导指令更新频率等因素的影响较小,但受测量信号干扰的影响较大.     

反导拦截飞行方案及时间窗口快速搜索算法

反导拦截导弹的飞行方案及发射时间窗口随发射点及预测命中点的位置变化而变化。在不同发射场景中,快速设计反导拦截导弹的飞行方案及发射时间窗口可以有效提高反导拦截系统的反应能力。针对该问题,综合考虑了地球〖WTHX〗J〖WTBZ〗2项摄动、地球自转、科里奥利力等因素的影响,建立了拦截导弹在地球三维空间中的动力学模型,并提出了一种基于迭代最小二乘的飞行方案及发射时间窗口的快速搜索设计算法。最后,通过相关仿真计算验证了所提方法的合理性。     

可重复使用航天器再入飞行综合仿真模型研究

提出并建立了一种可重复使用航天器(RLV)再入飞行综合制导/控制仿真模型。在精确的RLV非线性飞行动力学模型的基础上,综合考虑任务限制条件和舵面完好状况,建立飞行管理模块,实现了标称条件下飞行任务的管理、非标称条件下对制导/控制律的重构以及严重事故时任务中断策略的实施。仿真程序利用Stateflow技术,构筑状态转换器和算法公用接口,保证了便捷应用的能力。以某型RLV为例,在考虑到不同舵面故障的情况下,通过仿真结果表明,该方法便捷、有效。     

RLV末端能量管理段的在线轨迹规划算法

针对传统的可重复使用运载器(reusable launch vehicle, RLV)末端能量管理段轨迹生成算法存在的在线规划能力有限和制导精度不够的问题,提出了一种基于内核提取协议和微分平坦理论的三维在线轨迹规划算法。首先,推导给出了以高度为自变量、动压为状态变量的RLV三自由度运动方程组;然后,利用新方程组的平坦特性,选取纵程、横程和动压为相应的平坦输出,建立了不包含微分方程的最优控制问题;随后,采用分段B样条参数化平坦输出,将最优控制问题离散化得到非线性规划问题;最后,采用基于序列二次规划算法的稀疏非线性优化器进行求解。仿真结果验证了该末端能量管理段在线轨迹规划算法的有效性。     

反舰导弹同时临空控制策略研究

针对反舰导弹同时到达实施饱和攻击的战术要求,首先基于控制导弹发射顺序和发射间隔时间的思路,在考虑海洋环境因素对导弹速度影响的条件下,提出了反舰导弹同时临空打击单舰和编队目标的临空时间协同方法;然后,基于通过航路规划控制导弹的飞行航程的思路,建立了航路对称计算模型和动态椭圆计算模型,提出了通过规划航程相等的航路实现导弹同时临空的控制方法,仿真结果表明:该方法可实现齐射的导弹以不同的飞行航路同时到达目标,解决了反舰攻击时发射平台须较长时间保持阵位的问题,提高了导弹攻击和兵力行动的效率。     

多管武器系统密集度仿真技术

多管火箭密集度仿真是提高多管火箭射击密集度和减少多管火箭试验用弹量的前提。从武器系统弹、炮、药、环境一体化的角度,对多管火箭武器发射动力学进行了深入的理论和试验研究,建立了多管火箭武器刚弹耦合的多体系统发射动力学方程,应用多体系统传递矩阵法,实现了多管火箭动力响应分析,利用蒙特卡洛方法建立了多管武器系统密集度仿真技术。实例对某多管火箭武器系统密集度和减少多管火箭武器试验用弹量的优化方案的密集度进行了数值仿真,仿真结果得到了试验验证。     

用现代时域法设计BTT导弹自动驾驶仪

本文先建立了高性能BTT导弹控制系统和两个横向加速度指令数学模型。由于高性能BTT导弹滚转速率较大,俯仰、偏航通道间存在强动力学耦合,但滚动通道可以近似解耦。然后,用本文给出的模型跟随理论设计俯仰一偏航通道自动驾驶仪,用线性二次型理论设计滚动通道自动驾驶仪。为了满足远程全空域BTT导弹作战要求,自动驾驶仪中的增益是滚转速率和动压头的函数。最后,利用某典型地空导弹动力学模型进行了六自由度数字仿真,计算结果表明设计出的自动驾驶仪对导弹结构参数、气动参数、高度等变化具有良好的鲁棒性,导弹侧滑角、脱靶量很小。     

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.     

重复使用运载器末端能量管理段轨迹线设计

为了研究重复使用运载器末端能量管理段的下滑轨迹线设计,给出了基于高度和动压的质点动力学的设计方法。首先,将基于时间历程的质点动力学方程转化为基于高度剖面的质点动力学方程,同时利用动压代替速度,使轨迹形状直接和动压约束相关。接着,利用基于动压和高度剖面的质点动力学方程,结合末端能量管理段制导与控制的特点,将不同的轨迹设计问题转化为不同的数学优化问题,并且给出了轨迹设计的数学方法和步骤,主要包括:最陡下滑、最大升阻比下滑和参考下滑轨迹剖面的设计。最后利用上述方法,针对所研究的重复使用运载器的对象特性,设计了具体的轨迹剖面和能量走廊。结果表明此方法具有较强的实用性和工程性。     

RLV再入初期连续滑模姿态控制律设计及仿真

给出了一种可重复使用航天器(RLV)再入初期鲁棒姿态控制方法。在给定可用姿态指令和摄动、干扰的上界条件下,基于内外双回路连续滑模控制方法,得到了在系统摄动和干扰存在的情况下拥有高精度、鲁棒性和良好动态响应品质的姿态角跟踪结果。滑模控制抖振抑制利用李亚普诺夫方法,构造滑模状态观测器,并依据自适应增益调节思想,有效地抑制了控制抖振,减少了推进器的开关次数,保证了工程实际应用的能力。以某型RLV为例,在精确的仿真模型基础上,通过不同的控制律设计方法仿真结果对比表明,该方法有效、可靠。